(заедно с РНК), които са полимери, или по-точно, полинуклеотиди (мономер - нуклеотид).
ДНК е отговорна за съхраняването и предаването на генетичния код по време на клетъчното делене. Именно чрез молекулите на ДНК се осъществяват наследствеността и изменчивостта. Всички видове РНК се синтезират от ДНК. Освен това различни видове РНК съвместно осигуряват синтеза на клетъчни протеини, т.е. те изпълняват генетична информация.
В еукариотните клетки по-голямата част от ДНК се намира в ядрото, където се комплексира със специални протеини, за да образува хромозоми. В прокариотните клетки има една голяма кръгова (или линейна) ДНК молекула (също в комплекс с протеини). В допълнение, еукариотните клетки имат собствена ДНК в митохондриите и хлоропластите.
В случая на ДНК всеки нуклеотид се състои от 1) азотна основа, която може да бъде аденин, гуанин, цитозин или тимин, 2) дезоксирибоза, 3) фосфорна киселина.
Последователността на нуклеотидите в една ДНК верига определя първичната структура на молекулата. ДНК се характеризира с вторична структура на молекулата под формата на двойна спирала (най-често дясна). В този случай две ДНК вериги са свързани една с друга чрез водородни връзки, образувани между комплементарни азотни бази.
Аденинът е комплементарен на тимина, а гуанинът е комплементарен на цитозина. Между аденин и тимин се образуват две водородни връзки, а между гуанин и цитозин три. Така гуанинът и цитозинът са свързани помежду си малко по-здраво (въпреки че водородните връзки по принцип са слаби). Броят на връзките се определя от структурните особености на молекулите.
Аденинът и гуанинът са пурини и се състоят от два пръстена. Тиминът и цитозинът са пиримидинови бази с един пръстен. По този начин, между гръбнаците (състоящи се от редуващи се дезоксирибоза и фосфорна киселина) на две ДНК вериги, за всяка двойка нуклеотиди от различни вериги, винаги има три пръстена (тъй като пуринът с два пръстена винаги е комплементарен само на определен единичен пръстен пиримидин). Това позволява ширината между нишките на ДНК молекулата да се поддържа еднаква през цялото време (приблизително 2,3 nm).
В едно завъртане на спиралата има приблизително 10 нуклеотида. Дължината на един нуклеотид е приблизително 0,34 nm. Дължината на ДНК молекулите обикновено е огромна, надхвърляща милиони нуклеотиди. Следователно, за да се впише по-компактно в клетъчното ядро, ДНК претърпява различни степени на „супернавиване“.
При четене на информация от ДНК (т.е. синтезиране на РНК върху нея, този процес се нарича транскрипция) настъпва деспирализация (обратен процес на спирализация), двете вериги се разминават под действието на специален ензим. Водородните връзки са слаби, така че разделянето и последващото омрежване на веригите става с малко потребление на енергия. РНК се синтезира от ДНК по същия принцип на комплементарност. Само вместо тимин в РНК, урацилът е комплементарен на аденина.
Генетичният код, записан върху ДНК молекули, се състои от триплети (последователности от три нуклеотида), които представляват една аминокиселина (протеинов мономер). Повечето ДНК обаче не кодират протеин. Значението на такива участъци от молекулата варира и до голяма степен не е напълно разбрано.
Преди клетката да се раздели, количеството на ДНК винаги се удвоява. Този процес се нарича репликация. Той е полуконсервативен по природа: веригите на една ДНК молекула се разминават и всяка от тях е завършена със собствена нова допълнителна верига. В резултат от една двуверижна ДНК молекула се получават две двойноверижни ДНК, идентични на първата.
В ДНК полинуклеотидните вериги са многопосочни, т.е. когато една верига има 5" край (остатък от фосфорна киселина е прикрепен към петия въглероден атом на дезоксирибозата), другата има 3" край (въглерод, свободен от фосфорна киселина).
По време на репликация и транскрипция, синтезът винаги протича в посока от 5" края към 3" края, тъй като нови нуклеотиди могат да се прикрепят само към свободния 3" въглероден атом.
Структурата и ролята на ДНК като субстанция, отговорна за наследствената информация, е изяснена през 40-50-те години на 20 век. През 1953 г. Д. Уотсън и Ф. Крик определят двуверижната структура на ДНК. Преди това Е. Чаргаф установи, че в ДНК количеството тимин винаги съответства на аденина, а количеството гуанин на цитозина.
Нуклеинови киселини.
Нуклеиновите киселини са естествени високомолекулни съединения (полинуклеотиди), които играят огромна роля в съхранението и предаването на наследствена информация в живите организации.
Има два вида нуклеинови киселини: дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК). Тези биополимери са изградени от мономери, наречени нуклеотиди.
Основното местоположение на ДНК е клетъчното ядро. ДНК се намира и в някои органели (пластиди, митохондрии, центриоли). РНК се намират в нуклеолите, рибозомите и цитоплазмата на клетките.
Молекулата на ДНК е структура, състояща се от две вериги, които са свързани помежду си по цялата си дължина чрез водородни връзки. Тази структура се нарича двойна спирала. Водородните връзки възникват между пуриновата основа на една верига и пиримидиновата основа на друга верига. Тези основи образуват комплементарни двойки (от лат. complementum - добавяне).
Характеристики на ДНК.
1. ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е линеен полимер под формата на двойна спирала, образувана от двойка антипаралелни комплементарни вериги. Мономерите на ДНК са нуклеотиди.
2. ДНК нуклеотидите се състоят от пурин (А - аденин или G - гуанин) или пиримидин (Т - тимин или С - цитозин) азотни бази, петвъглеродна захар - дезоксирибоза - и фосфатна група.
3. Молекулата на ДНК има следните параметри: ширината на спиралата е около 2 nm, стъпката или пълният завой на спиралата е 3,4 nm. Една стъпка съдържа 10 комплементарни нуклеотида.
4. Нуклеотидите в молекулата на ДНК са изправени един срещу друг с азотни бази и са обединени по двойки в съответствие с правилата на комплементарност: тиминът е разположен срещу аденин, а цитозинът е разположен срещу гуанин. Двойката AL1 е свързана с две водородни връзки, а двойката G-C е свързана с три.
5. Гръбнакът на ДНК веригите се формира от захарни фосфатни остатъци.
6. ДНК репликацията е процес на самоудвояване на ДНК молекула, осъществяван под контрола на ензими.
На всяка от веригите, образувани след разкъсването на водородните връзки, се синтезира дъщерна ДНК верига с участието на ДНК полимераза. Материалът за синтеза са свободни нуклеозидни фосфати, присъстващи в цитоплазмата на клетките.
7. Синтезът на дъщерни молекули на съседни вериги се извършва с различна скорост. На едната верига непрекъснато се сглобява нова молекула, на другата - с известно забавяне и на фрагменти. След като процесът приключи, фрагменти от нови ДНК молекули се зашиват заедно от ензима ДНК лигаза. Така от една ДНК молекула възникват две, които са точно копие една на друга и на майчината молекула. Този метод на репликация се нарича полуконсервативен.
8. Биологичният смисъл на репликацията се състои в точното предаване на наследствена информация от майчината молекула към дъщерните молекули, което се случва по време на деленето на соматичните клетки.
Характеристики на РНК.
РНК е линеен полимер, състоящ се от една верига от нуклеотиди. В РНК тиминовият нуклеотид е заменен с урацил (U). РНК нуклеотидите съдържат захарната рибоза с пет въглерода, една от четирите азотни бази и остатък от фосфорна киселина.
Видове РНК:
Матричната или информационната РНК се синтезира в ядрото с участието на ензима РНК полимераза. Комплементарно към региона на ДНК, където се осъществява синтеза. Съставлява 5% от РНК на клетката;
Рибозомната РНК се синтезира в нуклеола и е част от рибозомите. Съставлява 85% от РНК на клетката;
Трансферна РНК (повече от 40 вида) - транспортира аминокиселини до мястото на протеиновия синтез. Има структурата на листа от детелина и се състои от 70-90 нуклеотида.
Част Б
Част А
ПРИМЕРИ ЗА ЗАДАЧИ
A1. Мономерите на ДНК и РНК са
1) азотни основи 3) аминокиселини
2) фосфатни групи 4) нуклеотиди
A2. Функция на информационната РНК:
1) удвояване на информация
2) премахване на информация от ДНК
3) транспорт на аминокиселини до рибозоми
4) съхранение на информация
A3. Посочете втората ДНК верига, комплементарна на първата: ATT – HCC – TSH
1) UAA – TGG – AAC 3) UCC – GCC – ACG
2) TAA – CGG – AAC 4) TAA – UGG – UUC
A4. Хипотезата, че ДНК е генетичният материал на клетката, се потвърждава от:
1) броят на нуклеотидите в молекулата
2) ДНК индивидуалност
3) съотношение на азотни основи (A = T, G = C)
4) съотношението на ДНК в гамети и соматични клетки (1: 2)
A5. Молекулата на ДНК е способна да предава информация благодарение на:
1) нуклеотидни последователности
2) брой нуклеотиди
3) способност за самоудвояване
4) спирализация на молекулата
A6. В кой случай съставът на един от нуклеотидите на РНК е посочен правилно?
1) тимин – рибоза – фосфат
2) урацил – дезоксирибоза – фосфат
3) урацил – рибоза – фосфат
4) аденин – дезоксирибоза – фосфат
B1. Изберете характеристиките на ДНК молекула
1) Едноверижна молекула
2) Нуклеотиди – ATUC
3) Нуклеотиди – ATGC
4) Въглехидрати – рибоза
5) Въглехидрати – дезоксирибоза
6) Възможност за репликация
B2. Изберете функции, характерни за РНК молекулите на еукариотните клетки
1) разпространение на наследствена информация
2) прехвърляне на наследствена информация към мястото на протеиновия синтез
3) транспорт на аминокиселини до мястото на протеиновия синтез
4) започване на репликация на ДНК
5) образуване на рибозомна структура
6) съхранение на наследствена информация
C1. Установяването на структурата на ДНК ни позволи да решим редица проблеми. Какви според вас бяха тези проблеми и как бяха решени с това откритие?
C2. Сравнете нуклеиновите киселини по състав и свойства.
2.4. Структурата на про- и еукариотните клетки. Връзката между структурата и функциите на частите и органелите на клетката е в основата на нейната цялост
Основни термини и понятия, проверявани в изпитната работа: Апарат на Голджи, вакуола, клетъчна мембрана, клетъчна теория, левкопласти, митохондрии, клетъчни органели, пластиди, прокариоти, рибозоми, хлоропласти, хромопласти, хромозоми, еукариоти, ядро.
Всяка клетка е система. Това означава, че всички негови компоненти са взаимосвързани, взаимозависими и взаимодействат помежду си. Това също означава, че нарушаването на един от елементите на дадена система води до промени и смущения в работата на цялата система. Колекция от клетки образува тъкани, различни тъкани образуват органи, а органите, взаимодействащи и изпълняващи обща функция, образуват системи от органи. Тази верига може да бъде продължена по-нататък и можете да го направите сами. Основното нещо, което трябва да разберете, е, че всяка система има определена структура, ниво на сложност и се основава на взаимодействието на елементите, които я съставят. По-долу има справочни таблици, които сравняват структурата и функциите на прокариотните и еукариотните клетки, както и разбират тяхната структура и функции. Внимателно анализирайте тези таблици, тъй като изпитните работи често задават въпроси, които изискват познаване на този материал.
Особено ДНК е доста добре позната в науката. Това се обяснява с факта, че те са клетъчни вещества, от които зависи съхранението и предаването на нейната наследствена информация. ДНК, открита през 1868 г. от Ф. Мишер, е молекула с изразени киселинни свойства. Ученият го изолира от ядрата на левкоцитите - клетки на имунната система. През следващите 50 години изследванията на нуклеиновите киселини се провеждат спорадично, тъй като повечето учени биохимици смятат протеините за основните органични вещества, включително тези, отговорни за наследствените черти.
След дешифрирането, извършено от Уотсън и Крик през 1953 г., започват сериозни изследвания, които разкриват, че дезоксирибонуклеиновата киселина е полимер, а нуклеотидите са мономерите на ДНК. Техните видове и структура ще бъдат изследвани от нас в тази работа.
Нуклеотидите като структурни единици на наследствената информация
Едно от основните свойства на живата материя е запазването и предаването на информация за структурата и функциите както на клетката, така и на целия организъм като цяло. Тази роля играят мономерите на ДНК - нуклеотидите - които са вид „градивни елементи“, от които се изгражда уникалната структура на субстанцията на наследствеността. Нека да разгледаме от какви признаци се е ръководила живата природа при създаването на суперспирала на нуклеинова киселина.
Как се образуват нуклеотидите?
За да отговорим на този въпрос са ни необходими познания от областта на органичната химия. По-специално, припомняме, че в природата съществува група от азотсъдържащи хетероциклични гликозиди, комбинирани с монозахариди - пентози (дезоксирибоза или рибоза). Те се наричат нуклеозиди. Например, аденозин и други видове нуклеозиди присъстват в цитозола на клетката. Те влизат в реакция на естерификация с молекулите на ортофосфорната киселина. Продуктите от този процес ще бъдат нуклеотиди. Всеки ДНК мономер, от който има четири вида, има име, например гуанин, тимин и цитозин нуклеотиди.
Пуринови мономери на ДНК
В биохимията е възприета класификация, която разделя ДНК мономерите и тяхната структура на две групи: например адениновите и гуаниновите нуклеотиди са пуринови. Те съдържат производни на пурин - органично вещество с формула C 5 H 4 N 4. Мономерът на ДНК, гуанинов нуклеотид, също съдържа пуринова азотна основа, свързана с дезоксирибоза чрез N-гликозидна връзка, разположена в бета конфигурация.
Пиримидинови нуклеотиди
Азотните основи, наречени цитидин и тимидин, са производни на органичното съединение пиримидин. Формулата му е C 4 H 4 N 2. Молекулата е шестчленен планарен хетероцикъл, съдържащ два азотни атома. Известно е, че вместо тиминов нуклеотид, молекули като rRNA, tRNA и mRNA съдържат урацилов мономер. В процеса на транскрипция, при копиране на информация от ДНК ген към молекула иРНК, тиминовият нуклеотид се заменя с аденинов нуклеотид, а адениновият нуклеотид с урацилов нуклеотид в синтезираната иРНК верига. Тоест следният запис ще бъде справедлив: A - U, T - A.
Правилото на Чаргаф
В предишния раздел вече отчасти засегнахме принципите на съответствие на мономерите в ДНК веригите и в комплекса ген-иРНК. Известният биохимик Е. Чаргаф установи напълно уникално свойство на молекулите на дезоксирибонуклеиновата киселина, а именно, че броят на адениновите нуклеотиди в нея винаги е равен на тимина, а гуанина на цитозина. Основната теоретична основа за принципите на Чаргаф са изследванията на Уотсън и Крик, които установяват кои мономери образуват ДНК молекула и каква пространствена организация имат. Друг модел, извлечен от Чаргаф и наречен принцип на комплементарност, показва химическия афинитет на пуриновите и пиримидиновите бази и тяхната способност да образуват водородни връзки, когато взаимодействат една с друга. Това означава, че подреждането на мономерите в двете ДНК вериги е строго определено: например срещу А на първата ДНК верига може да се намира само Т на другата и между тях възникват две водородни връзки. Само цитозинов нуклеотид може да бъде разположен срещу гуанинов нуклеотид. В този случай между азотните бази се образуват три водородни връзки.
Ролята на нуклеотидите в генетичния код
За осъществяване на реакцията на протеинов биосинтез, която се случва в рибозомите, има механизъм за превод на информация за аминокиселинния състав на пептида от нуклеотидната последователност на иРНК в аминокиселинната последователност. Оказа се, че три съседни мономера носят информация за една от 20 възможни аминокиселини. Това явление се нарича При решаване на проблеми в молекулярната биология се използва както за определяне на аминокиселинния състав на пептида, така и за изясняване на въпроса: кои мономери образуват ДНК молекула, с други думи, какъв е съставът на съответния ген. Например триплетът ААА (кодон) в ген кодира аминокиселината фенилаланин в протеинова молекула, а в генетичния код ще съответства на триплета UUU във веригата на иРНК.
Взаимодействие на нуклеотидите в процеса на редупликация на ДНК
Както беше установено по-рано, структурните единици, мономерите на ДНК са нуклеотиди. Тяхната специфична последователност във веригите е матрицата за процеса на синтез на дъщерната молекула на дезоксирибонуклеиновата киселина. Това явление възниква в S стадия на клетъчната интерфаза. Нуклеотидната последователност на нова ДНК молекула се сглобява върху майчините нишки под действието на ензима ДНК полимераза, като се вземат предвид (A - T, D - C). Репликацията се отнася до реакции на синтез на шаблон. Това означава, че ДНК мономерите и тяхната структура в майчините вериги служат като основа, тоест шаблон за нейното дъщерно копие.
Може ли структурата на нуклеотида да се промени?
Между другото, да кажем, че дезоксирибонуклеиновата киселина е много консервативна структура на клетъчното ядро. Има логично обяснение за това: това, което се съхранява в хроматина на ядрото, трябва да бъде непроменено и копирано без изкривяване. Е, клетъчният геном е постоянно „под оръжието“ на факторите на околната среда. Например такива агресивни химически съединения като алкохол, лекарства, радиоактивно излъчване. Всички те са така наречените мутагени, под въздействието на които всеки мономер на ДНК може да промени своята химическа структура. В биохимията такова изкривяване се нарича точкова мутация. Честотата на тяхното появяване в клетъчния геном е доста висока. Мутациите се коригират от добре функционираща система за възстановяване на клетките, която включва набор от ензими.
Някои от тях, например рестрикционните ензими, "изрязват" увредените нуклеотиди, полимеразите осигуряват синтеза на нормални мономери, а лигазите "омрежват" възстановените участъци на гена. Ако по някаква причина описаният по-горе механизъм не работи в клетката и дефектният ДНК мономер остане в молекулата си, мутацията се подхваща от процесите на матричен синтез и се проявява фенотипно под формата на протеини с нарушени свойства, неспособни да изпълняват необходимите функции, присъщи на тях в клетъчния метаболизъм. Това е сериозен негативен фактор, който намалява жизнеспособността на клетката и съкращава нейния живот.
Нуклеинови киселини – биополимери. Видове нуклеинови киселини. В клетките има два вида нуклеинови киселини: дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК) и рибонуклеинова киселина (РНК).
Тези биополимери са изградени от мономери, наречени нуклеотиди. Мономери-нуклеотидиДНК и РНК са сходни по основни структурни характеристики.
Нуклеотидите, които изграждат РНК, съдържат пет въглерода. захар - рибоза, едно от четирите органични съединения, наречени азотни основи: аденин, гуанин, цитозин, урацил (A, G, C, U) - и остатък от фосфорна киселина.
Нуклеотидите, които изграждат ДНК, съдържат захар с пет въглерода - дезоксирибоза, една от четирите азотни бази: аденин, гуанин, цитозин, тимин (A, G, C, T) - и остатък от фосфорна киселина.
В състава на нуклеотидите от едната страна към молекулата на рибозата (или дезоксирибозата) е прикрепена азотна основа, а от другата - остатък от фосфорна киселина. Нуклеотидите са свързани помежду си в дълги вериги. Гръбнакът на такава верига се формира от редовно редуващи се захарни и органични фосфатни остатъци, а страничните групи на тази верига се образуват от четири вида неправилно редуващи се азотни бази.
ДНК молекулапредставлява. е структура, състояща се от две нишки, които са свързани помежду си по цялата дължина чрез водородни връзки. Тази структура, характерна само за ДНК молекулите, се нарича двойна спирала. Особеност на структурата на ДНК е, че срещу азотната база А в едната верига лежи азотната база Т в другата верига, а срещу азотната база G винаги е азотната база С. Схематично казаното може да се изрази по следния начин: :
A (аденин) - T (тимин) T (тимин) - A (аденин) G (гуанин) - C (цитозин) C (цитозин) - G (гуанин) Тези базови двойки се наричат комплементарни бази (допълващи се взаимно). ДНК вериги, в които базите са разположени комплементарно една на друга, се наричат комплементарни вериги. Фигура 8 показва две вериги на ДНК, които са свързани чрез комплементарни региони.
Моделът на структурата на молекулата на ДНК е предложен от Дж. Уотсън и Ф. Крик през 1953 г. Той е напълно потвърден експериментално и играе изключително важна роля в развитието на молекулярната биология и генетика.
Местоположението на четирите типа нуклеотиди в ДНК веригите носи важна информация. Редът на нуклеотидите в ДНК молекулите определя реда на аминокиселините. линейни протеинови молекули, т.е. тяхната първична структура. Набор от протеини (ензими, хормони и др.) Определя свойствата на клетката и организма. ДНК молекулите съхраняват информация за тези свойства и ги предават на поколения потомци. С други думи, ДНК е носител на наследствена информация. ДНК молекулите се намират главно в ядрото на клетките. Малки количества обаче се намират в митохондриите и хлоропластите.
Основни видове РНК. Наследствената информация, съхранявана в молекулите на ДНК, се реализира чрез протеинови молекули. Информацията за структурата на протеина се предава в цитоплазмата от специални РНК молекули, които се наричат информационна РНК (i-RNA). Информационната РНК се прехвърля в цитоплазмата, където синтезът на протеини се извършва с помощта на специални органели - рибозоми. Това е информационната РНК, която е изградена комплементарно на една от ДНК веригите, която определя реда на аминокиселините в протеиновите молекули.
Друг вид РНК участва в синтеза на протеини - транспортна РНК (t-RNA), която довежда аминокиселините до мястото на образуване на протеинови молекули - рибозоми, своеобразни фабрики за производство на протеини.
Рибозомите съдържат трети тип РНК, така наречената рибозомна РНК (r-РНК), която определя структурата на рибозомите.
