(uz RNA), koji su polimeri, točnije, polinukleotidi (monomer - nukleotid).
DNK je odgovorna za pohranjivanje i prijenos genetskog koda tijekom stanične diobe. Preko molekula DNA ostvaruje se nasljednost i varijabilnost. Sve vrste RNK sintetizirane su iz DNK. Nadalje, različite vrste RNA zajedno osiguravaju sintezu staničnih proteina, tj. implementiraju genetsku informaciju.
U eukariotskim stanicama, velika većina DNA nalazi se u jezgri, gdje se spaja s posebnim proteinima kako bi formirala kromosome. U prokariotskim stanicama postoji jedna velika kružna (ili linearna) molekula DNA (također u kompleksu s proteinima). Osim toga, eukariotske stanice imaju vlastitu DNK u mitohondrijima i kloroplastima.
U slučaju DNK, svaki nukleotid se sastoji od 1) dušične baze, koja može biti adenin, gvanin, citozin ili timin, 2) deoksiriboze, 3) fosforne kiseline.
Redoslijed nukleotida u lancu DNA određuje primarnu strukturu molekule. Za DNA je karakteristična sekundarna struktura molekule u obliku dvostruke spirale (najčešće desne). U ovom su slučaju dva lanca DNA međusobno povezana vodikovim vezama koje se stvaraju između komplementarnih dušikovih baza.
Adenin je komplementaran timinu, a gvanin citozinu. Između adenina i timina stvaraju se dvije vodikove veze, a između gvanina i citozina tri. Dakle, gvanin i citozin su međusobno malo čvršće povezani (iako su vodikove veze načelno slabe). Broj veza određen je strukturnim značajkama molekula.
Adenin i gvanin su purini i sastoje se od dva prstena. Timin i citozin su pirimidinske baze s jednim prstenom. Dakle, između okosnica (koji se sastoje od naizmjenične deoksiriboze i fosforne kiseline) dvaju lanaca DNA, za bilo koji par nukleotida različitih lanaca, uvijek postoje tri prstena (budući da je purin s dva prstena uvijek komplementaran samo s određenim jednim prstenom pirimidin). To omogućuje da širina između niti molekule DNA ostane jednaka (približno 2,3 nm).
U jednom zavoju spirale nalazi se približno 10 nukleotida. Duljina jednog nukleotida je približno 0,34 nm. Duljina molekula DNA obično je ogromna i premašuje milijune nukleotida. Stoga, kako bi se kompaktnije uklopila u staničnu jezgru, DNK prolazi kroz različite stupnjeve "super namotavanja".
Prilikom čitanja informacija iz DNK (odnosno sintetiziranja RNK na njoj, ovaj se proces naziva transkripcija) dolazi do despiralizacije (obrnuti proces od spiralizacije), dva se lanca razilaze pod djelovanjem posebnog enzima. Vodikove veze su slabe, pa se odvajanje i naknadno umrežavanje lanaca događa uz malu potrošnju energije. RNA se sintetizira iz DNA prema istom principu komplementarnosti. Samo je umjesto timina u RNK adeninu komplementaran uracil.
Genetski kod, zapisan na molekulama DNK, sastoji se od tripleta (sekvenci od tri nukleotida) koji predstavljaju jednu aminokiselinu (proteinski monomer). Međutim, većina DNK ne kodira proteine. Značaj takvih dijelova molekule varira i uglavnom nije u potpunosti shvaćen.
Prije nego se stanica podijeli, količina DNK se uvijek udvostruči. Ovaj proces se zove replikacija. Polukonzervativne je prirode: lanci jedne molekule DNK se razilaze, a svaki se dopunjava svojim novim komplementarnim lancem. Kao rezultat, iz jedne dvolančane molekule DNA dobiju se dvije dvolančane DNA, identične prvoj.
U DNA, polinukleotidni lanci su višesmjerni, tj. gdje jedan lanac ima 5" kraj (ostatak fosforne kiseline vezan je na peti ugljikov atom deoksiriboze), drugi ima 3" kraj (ugljik bez fosforne kiseline).
Tijekom replikacije i transkripcije, sinteza se uvijek odvija u smjeru od 5" kraja prema 3" kraju, budući da se novi nukleotidi mogu vezati samo na slobodni 3" ugljikov atom.
Struktura i uloga DNK kao tvari odgovorne za nasljedne informacije razjašnjena je 40-50-ih godina 20. stoljeća. Godine 1953. D. Watson i F. Crick utvrdili su dvolančanu strukturu DNK. Prethodno je E. Chargaff utvrdio da u DNK količina timina uvijek odgovara adeninu, a količina gvanina citozinu.
Nukleinske kiseline.
Nukleinske kiseline su prirodni visokomolekularni spojevi (polinukleotidi) koji imaju veliku ulogu u pohrani i prijenosu nasljednih informacija u živim organizacijama.
Postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: deoksiribonukleinska kiselina (DNK) i ribonukleinska kiselina (RNA). Ti se biopolimeri sastoje od monomera koji se nazivaju nukleotidi.
Glavno mjesto DNA je stanična jezgra. DNA se također nalazi u nekim organelama (plastidi, mitohondriji, centrioli). RNA se nalaze u jezgrici, ribosomima i citoplazmi stanica.
Molekula DNA je struktura koja se sastoji od dva lanca, koji su cijelom svojom dužinom međusobno povezani vodikovim vezama. Ova struktura se naziva dvostruka spirala. Vodikove veze se javljaju između purinske baze jednog lanca i pirimidinske baze drugog lanca. Ove baze čine komplementarne parove (od lat. komplementum - dodavanje).
Karakteristike DNK.
1. DNK (dezoksiribonukleinska kiselina) je linearni polimer u obliku dvostruke spirale formiran od para antiparalelnih komplementarnih lanaca. Monomeri DNA su nukleotidi.
2. DNK nukleotidi sastoje se od purinske (A - adenin ili G - gvanin) ili pirimidinske (T - timin ili C - citozin) dušične baze, šećera s pet ugljika - deoksiriboze - i fosfatne skupine.
3. Molekula DNA ima sljedeće parametre: širina spirale je oko 2 nm, uspon ili puni zavoj spirale je 3,4 nm. Jedan korak sadrži 10 komplementarnih nukleotida.
4. Nukleotidi u molekuli DNK sučeljeni su dušičnim bazama i spojeni su u parove prema pravilima komplementarnosti: timin se nalazi nasuprot adeninu, a citozin nasuprot gvaninu. Par AL1 povezan je s dvije vodikove veze, a par G-C s tri.
5. Okosnicu DNK lanaca čine ostaci šećernog fosfata.
6. Replikacija DNA je proces samodupliciranja molekule DNA, koji se odvija pod kontrolom enzima.
Na svakom od lanaca nastalih nakon pucanja vodikovih veza sintetizira se lanac kćeri DNK uz sudjelovanje DNK polimeraze. Materijal za sintezu su slobodni nukleozidni fosfati prisutni u citoplazmi stanica.
7. Sinteza molekula kćeri na susjednim lancima odvija se različitim brzinama. Na jednom lancu nova se molekula sastavlja kontinuirano, s druge strane - s određenim zaostatkom i u fragmentima. Nakon dovršetka procesa, fragmenti novih molekula DNA spojeni su pomoću enzima DNA ligaze. Dakle, iz jedne molekule DNA nastaju dvije molekule DNA koje su točne kopije jedne druge i matične molekule. Ova metoda replikacije naziva se polukonzervativna.
8. Biološki smisao replikacije leži u točnom prijenosu nasljednih informacija s matične molekule na molekule kćeri, što se događa tijekom diobe somatskih stanica.
Karakteristike RNA.
RNA je linearni polimer koji se sastoji od jednog lanca nukleotida. U RNK je nukleotid timin zamijenjen uracilom (U). RNA nukleotidi sadrže šećer ribozu s pet ugljika, jednu od četiri dušične baze i ostatak fosforne kiseline.
Vrste RNA:
Matrična, ili glasnička, RNA sintetizira se u jezgri uz sudjelovanje enzima RNA polimeraze. Komplementaran regiji DNK u kojoj se odvija sinteza. Čini 5% stanične RNA;
Ribosomska RNA se sintetizira u jezgrici i dio je ribosoma. Čini 85% stanične RNA;
Prijenosna RNA (više od 40 vrsta) – prenosi aminokiseline do mjesta sinteze proteina. Ima strukturu lista djeteline i sastoji se od 70-90 nukleotida.
Dio B
Dio A
PRIMJERI ZADATAKA
A1. Monomeri DNA i RNA su
1) dušične baze 3) aminokiseline
2) fosfatne skupine 4) nukleotidi
A2. Funkcija glasničke RNA:
1) udvostručenje informacija
2) uklanjanje informacija iz DNK
3) transport aminokiselina do ribosoma
4) pohranjivanje informacija
A3. Označite drugi lanac DNA komplementaran prvom: ATT – HCC – TSH
1) UAA – TGG – AAC 3) UCC – GCC – ACG
2) TAA – CGG – AAC 4) TAA – UGG – UUC
A4. Hipotezu da je DNK genetski materijal stanice potvrđuje:
1) broj nukleotida u molekuli
2) DNK individualnost
3) omjer dušičnih baza (A = T, G = C)
4) omjer DNA u spolnim stanicama i somatskim stanicama (1:2)
A5. Molekula DNK je sposobna prenositi informacije zahvaljujući:
1) nukleotidne sekvence
2) broj nukleotida
3) sposobnost samoudvostručavanja
4) spiralizacija molekule
A6. U kojem slučaju je točno naznačen sastav jednog od nukleotida RNA?
1) timin – riboza – fosfat
2) uracil – deoksiriboza – fosfat
3) uracil - riboza - fosfat
4) adenin – deoksiriboza – fosfat
U 1. Odaberite značajke molekule DNA
1) Jednolančana molekula
2) Nukleotidi – ATUC
3) Nukleotidi – ATGC
4) Ugljikohidrati – riboza
5) Ugljikohidrati – deoksiriboza
6) Sposobnost replikacije
U 2. Odaberite funkcije karakteristične za molekule RNA eukariotskih stanica
1) raspodjela nasljednih informacija
2) prijenos nasljedne informacije na mjesto sinteze proteina
3) transport aminokiselina do mjesta sinteze proteina
4) početak replikacije DNA
5) formiranje strukture ribosoma
6) pohranjivanje nasljednih informacija
C1. Utvrđivanje strukture DNK omogućilo nam je rješavanje niza problema. Što mislite koji su to problemi bili i kako su riješeni kao rezultat ovog otkrića?
C2. Usporedite nukleinske kiseline po sastavu i svojstvima.
2.4. Građa pro- i eukariotskih stanica. Odnos između strukture i funkcija dijelova i organela stanice temelj je njezine cjelovitosti
Osnovni pojmovi i pojmovi koji se provjeravaju u ispitnom radu: Golgijev aparat, vakuola, stanična membrana, stanična teorija, leukoplasti, mitohondriji, stanične organele, plastidi, prokarioti, ribosomi, kloroplasti, kromoplasti, kromosomi, eukarioti, jezgra.
Svaka stanica je sustav. To znači da su sve njegove komponente međusobno povezane, međuovisne i međusobno djeluju. To također znači da poremećaj jednog od elemenata određenog sustava dovodi do promjena i poremećaja u funkcioniranju cijelog sustava. Zbir stanica tvori tkiva, različita tkiva tvore organe, a organi, koji međusobno djeluju i obavljaju zajedničku funkciju, tvore organske sustave. Ovaj se lanac može nastaviti dalje, a možete to učiniti sami. Glavno je razumjeti da svaki sustav ima određenu strukturu, razinu složenosti i temelji se na interakciji elemenata koji ga čine. Dolje se nalaze referentne tablice koje uspoređuju strukturu i funkcije prokariotskih i eukariotskih stanica, te također razumiju njihovu strukturu i funkcije. Pažljivo analizirajte ove tablice, jer ispitni radovi često postavljaju pitanja koja zahtijevaju poznavanje ovog gradiva.
Posebno je DNK prilično dobro poznat u znanosti. To se objašnjava činjenicom da su stanične tvari o kojima ovisi pohranjivanje i prijenos nasljednih informacija. DNK, koju je davne 1868. godine otkrio F. Miescher, molekula je s izraženim kiselim svojstvima. Znanstvenik ga je izolirao iz jezgri leukocita - stanica imunološkog sustava. Tijekom sljedećih 50 godina istraživanja nukleinskih kiselina provodila su se sporadično, budući da je većina znanstvenika biokemičara smatrala proteine glavnim organskim tvarima, uključujući i one odgovorne za nasljedne osobine.
Od dešifriranja koje su izveli Watson i Crick 1953. godine, započela su ozbiljna istraživanja koja su otkrila da je deoksiribonukleinska kiselina polimer, a nukleotidi su monomeri DNA. Njihove vrste i strukturu ćemo proučavati u ovom radu.
Nukleotidi kao strukturne jedinice nasljedne informacije
Jedno od temeljnih svojstava žive tvari je očuvanje i prijenos informacija o građi i funkcijama kako stanice tako i cijelog organizma u cjelini. Tu ulogu igraju monomeri DNA - nukleotidi - koji su svojevrsni "građevni blokovi" od kojih se gradi jedinstvena struktura tvari nasljeđa. Razmotrimo kojim se znakovima vodila živa priroda pri stvaranju superheliksa nukleinske kiseline.
Kako nastaju nukleotidi?
Za odgovor na ovo pitanje potrebna su nam određena znanja iz područja organske kemije. Posebno podsjećamo da u prirodi postoji skupina heterocikličkih glikozida koji sadrže dušik u kombinaciji s monosaharidima - pentozama (dezoksiriboza ili riboza). Zovu se nukleozidi. Na primjer, adenozin i druge vrste nukleozida prisutni su u citosolu stanice. Oni stupaju u reakciju esterifikacije s molekulama ortofosforne kiseline. Produkti ovog procesa bit će nukleotidi. Svaki monomer DNA, kojih ima četiri tipa, ima naziv, na primjer, gvanin, timin i citozin nukleotid.
Purinski monomeri DNA
U biokemiji je usvojena klasifikacija koja monomere DNA i njihovu strukturu dijeli u dvije skupine: na primjer, adeninski i gvaninski nukleotidi su purinski. Sadrže derivate purina - organske tvari formule C 5 H 4 N 4. Monomer DNA, gvanin nukleotid, također sadrži purinsku dušikovu bazu povezanu s deoksiribozom N-glikozidnom vezom, smještenu u beta konfiguraciji.
Pirimidinski nukleotidi
Dušične baze, citidin i timidin, derivati su organskog spoja pirimidina. Njegova formula je C4H4N2. Molekula je šesteročlani planarni heterocikl koji sadrži dva atoma dušika. Poznato je da umjesto nukleotida timina, molekule kao što su rRNA, tRNA i mRNA sadrže monomer uracila. Tijekom procesa transkripcije, kada se informacija kopira s gena DNA na molekulu mRNA, nukleotid timina zamjenjuje se nukleotidom adenina, a nukleotid adenina nukleotidom uracila u sintetiziranom lancu mRNA. Odnosno, sljedeći će unos biti pošten: A - U, T - A.
Chargaffovo pravilo
U prethodnom odjeljku već smo se djelomično dotakli načela korespondencije monomera u lancima DNA iu kompleksu gen-mRNA. Poznati biokemičar E. Chargaff ustanovio je potpuno jedinstveno svojstvo molekula deoksiribonukleinske kiseline, naime, da je broj adenin nukleotida u njoj uvijek jednak timinu, a gvanin citozinu. Glavna teorijska osnova za Chargaffova načela bila su istraživanja Watsona i Cricka, koja su utvrdila koji monomeri tvore molekulu DNA i kakvu prostornu organizaciju imaju. Drugi obrazac, koji je izveo Chargaff i nazvan principom komplementarnosti, ukazuje na kemijski afinitet purinskih i pirimidinskih baza i njihovu sposobnost stvaranja vodikovih veza kada međusobno djeluju. To znači da je raspored monomera u oba lanca DNA strogo određen: npr. nasuprot A prvog lanca DNA može se nalaziti samo T drugog, a između njih nastaju dvije vodikove veze. Nasuprot gvaninskom nukleotidu može se nalaziti samo citozin nukleotid. U tom slučaju nastaju tri vodikove veze između dušičnih baza.
Uloga nukleotida u genetskom kodu
Za izvođenje reakcije biosinteze proteina koja se odvija u ribosomima, postoji mehanizam za prevođenje informacija o aminokiselinskom sastavu peptida iz sekvence nukleotida mRNA u sekvencu aminokiselina. Ispostavilo se da tri susjedna monomera nose informaciju o jednoj od 20 mogućih aminokiselina. Taj se fenomen naziva U rješavanju problema molekularne biologije koristi se za određivanje i sastava aminokiselina peptida i za razjašnjenje pitanja: koji monomeri tvore molekulu DNA, drugim riječima, kakav je sastav odgovarajućeg gena. Na primjer, triplet (kodon) AAA u genu kodira aminokiselinu fenilalanin u proteinskoj molekuli, a u genetskom kodu će odgovarati tripletu UUU u lancu mRNA.
Interakcija nukleotida u procesu reduplikacije DNA
Kao što je ranije utvrđeno, strukturne jedinice, monomeri DNK su nukleotidi. Njihov specifični slijed u lancima je matrica za proces sinteze molekule kćeri deoksiribonukleinske kiseline. Ovaj fenomen se događa u S fazi stanične interfaze. Nukleotidni slijed nove molekule DNA sastavlja se na matičnim nitima pod djelovanjem enzima DNA polimeraze, uzimajući u obzir (A - T, D - C). Replikacija se odnosi na reakcije sinteze šablona. To znači da monomeri DNA i njihova struktura u matičnim lancima služe kao osnova, odnosno predložak za njegovu kćerku kopiju.
Može li se struktura nukleotida promijeniti?
Usput, recimo da je deoksiribonukleinska kiselina vrlo konzervativna struktura stanične jezgre. Za to postoji logično objašnjenje: ono što je pohranjeno u kromatinu jezgre mora biti nepromijenjeno i kopirano bez izobličenja. Pa, stanični genom je stalno "pod udarom" čimbenika iz okoliša. Na primjer, takvi agresivni kemijski spojevi kao što su alkohol, lijekovi, radioaktivno zračenje. Svi oni su takozvani mutageni, pod utjecajem kojih bilo koji monomer DNA može promijeniti svoju kemijsku strukturu. U biokemiji se takva distorzija naziva točkasta mutacija. Učestalost njihove pojave u staničnom genomu prilično je visoka. Mutacije se ispravljaju pomoću dobro funkcionirajućeg sustava za popravak stanica, koji uključuje skup enzima.
Neki od njih, na primjer restrikcijski enzimi, "izrezuju" oštećene nukleotide, polimeraze osiguravaju sintezu normalnih monomera, a ligaze "povezuju" obnovljene dijelove gena. Ako iz nekog razloga gore opisani mehanizam ne funkcionira u stanici i neispravan monomer DNA ostane u njezinoj molekuli, mutacija se preuzima procesima sinteze matriksa i fenotipski se manifestira u obliku proteina s oštećenim svojstvima, nesposobni obavljati potrebne funkcije koje su im svojstvene u staničnom metabolizmu. To je ozbiljan negativan čimbenik koji smanjuje održivost stanice i skraćuje njezin životni vijek.
Nukleinske kiseline – biopolimeri. Vrste nukleinskih kiselina. U stanicama postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: deoksiribonukleinska kiselina (DNA) i ribonukleinska kiselina (RNA).
Ti se biopolimeri sastoje od monomera koji se nazivaju nukleotidi. Monomeri-nukleotidi DNA i RNA slične su u osnovnim strukturnim značajkama. Svaki nukleotid sastoji se od tri komponente povezane jakim kemijskim vezama.
Nukleotidi koji čine RNK sadrže pet atoma ugljika. šećer - riboza, jedan od četiri organska spoja koji se nazivaju dušične baze: adenin, gvanin, citozin, uracil (A, G, C, U) - i ostatak fosforne kiseline.
Nukleotidi koji čine DNK sadrže šećer s pet ugljika - deoksiribozu, jednu od četiri dušične baze: adenin, gvanin, citozin, timin (A, G, C, T) - i ostatak fosforne kiseline.
U sastavu nukleotida na molekulu riboze (ili deoksiriboze) s jedne strane vezana je dušična baza, a s druge strane ostatak fosforne kiseline. Nukleotidi su međusobno povezani u dugačke lance. Okosnicu takvog lanca tvore pravilno izmjenični šećerni i organski fosfatni ostaci, a bočne skupine tog lanca tvore četiri vrste nepravilno izmjeničnih dušičnih baza.
molekula DNA je. je struktura koja se sastoji od dvije niti, koje su međusobno cijelom dužinom povezane vodikovim vezama. Ova struktura, jedinstvena za molekule DNA, naziva se dvostruka spirala. Značajka strukture DNA je da nasuprot dušične baze A u jednom lancu leži dušična baza T u drugom lancu, a nasuprot dušične baze G uvijek je dušična baza C. Shematski se rečeno može izraziti na sljedeći način: :
A (adenin) - T (timin) T (timin) - A (adenin) G (gvanin) - C (citozin) C (citozin) - G (gvanin) Ovi parovi baza nazivaju se komplementarnim bazama (međusobno se nadopunjuju). DNK lanci u kojima su baze smještene međusobno komplementarne nazivaju se komplementarni lanci. Slika 8 prikazuje dva lanca DNA koji su povezani komplementarnim regijama.
Model strukture molekule DNA predložili su J. Watson i F. Crick 1953. godine. U potpunosti je eksperimentalno potvrđen i odigrao je iznimno važnu ulogu u razvoju molekularne biologije i genetike.
Položaj četiri vrste nukleotida u DNK lancima nosi važne informacije. Redoslijed nukleotida u molekulama DNA određuje redoslijed aminokiselina. linearne proteinske molekule, tj. njihovu primarnu strukturu. Skup proteina (enzima, hormona i dr.) određuje svojstva stanice i organizma. Molekule DNK pohranjuju informacije o tim svojstvima i prenose ih generacijama potomaka. Drugim riječima, DNK je nositelj nasljedne informacije. Molekule DNA uglavnom se nalaze u jezgri stanica. Međutim, male količine nalaze se u mitohondrijima i kloroplastima.
Glavne vrste RNA. Nasljedne informacije pohranjene u molekulama DNK realiziraju se preko proteinskih molekula. Informaciju o strukturi proteina u citoplazmu prenose posebne molekule RNA, koje se nazivaju glasnička RNA (i-RNA). Messenger RNA se prenosi u citoplazmu, gdje se sinteza proteina odvija uz pomoć posebnih organela - ribosoma. Glasnička RNA, koja je izgrađena komplementarno jednom od lanaca DNA, određuje redoslijed aminokiselina u proteinskim molekulama.
U sintezi proteina sudjeluje još jedna vrsta RNA - transportna RNA (t-RNA), koja dovodi aminokiseline do mjesta nastanka proteinskih molekula - ribosoma, svojevrsnih tvornica za proizvodnju proteina.
Ribosomi sadrže treću vrstu RNA, tzv. ribosomsku RNA (r-RNA), koja određuje strukturu ribosoma.
