Продолжение КЭС 2.2: Нуклеиновые кислоты. ДНК и РНК. Строение нуклеиновых кислот. Нуклеотиды. Принцип комплементарности. Правило Чаргаффа. Структура ДНК – двойная спираль. Местонахождение и биологические функции ДНК. Виды РНК. Функции РНК в клетке. Строение молекулы АТФ. Макроэргические связи в молекуле АТФ. Биологические функции АТФ. Восстановленные переносчики, их функции в клетке. Секвенирование ДНК. Структурная биология: биохимические и биофизические исследования состава и пространственной структуры биомолекул
Теория соответствует ключам ФИПИ.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – непериодические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания (АО).
Строение нуклеотида и образование полинуклеотида
Первые два компонента одинаковы у всех нуклеотидов, а азотистое основание представлено 5 вариантами: пуриновые основания – аденин (А) и гуанин (Г), и пиримидиновые – тимин (Т), цитозин (Ц) и урацил (У).
В состав ДНК входят А, Т, Г, Ц;
В состав РНК входят А, У, Г ,Ц
В РНК тимин заменен урацилом (У), а дезоксирибоза - рибозой.
Нуклеотиды являются алфавитом генетического кода, на котором записана вся генетическая информация организма в ДНК/РНК.
Строение ДНК, РНК
• Нуклеотиды соединяются в цепи фосфодиэфирными связями через сахар (OH- группу сахара) одного нуклеотида и фосфорную кислоту следующего. Получается полинуклеотидная цепь, на одном ее конце – свободная фосфатная группа (5’-конец), на другом – свободный сахар (3’-конец).
• Синтез новой цепи идет от 5′- к 3′-концу, т.е. она начинается свободной фосфатной группой напротив гидроксильного (3′-) конца старой, матричной цепи. Две полинуклеотидные цепи соединяются друг с другом слабыми водородными связями между азотистыми основаниями разных цепей — согласно принципу комплементарности. Получается двойная цепь ДНК (спираль ДНК на рисунке) либо одноцепочечная молекула РНК.
Принцип комплементарности: гуанин образует комплементарную пару с цитозином, аденин – с тимином (в ДНК) или с урацилом (в РНК), между А и Т - 2 связи, между Ц и Г – 3 связи.
В молекуле ДНК количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых (правило Чаргаффа).
Цитозин=Гуанин
Аденин=Тимин
II
100%
Принцип антипараллельности: напротив 3′-конца одной цепи всегда находится 5′-конец другой.
1-я цепь: 5’- Ц-А-Т-Г-Ц-Т-3’
2-я цепь: 3’- Г-Т-А-Ц-Г-А-5’
двухцепочечная ДНК
Две цепи, составляющие молекулу ДНК, разнонаправлены, или антипараллельны. Нуклеотиды находятся внутри, а сахарофосфатные группировки - снаружи.
• Двойная цепь ДНК скручивается в двойную спираль. Азотистые основания (хранители генетической информации) находятся внутри спирали, защищенные.
Функции ДНК
ДНК входит в состав хромосом, обеспечивает хранение и передачу наследственной информации следующим поколениям клеток, а именно – кодирует информацию о первичной структуре белка и служит матрицей для синтеза РНК, с которой в будущем будет синтезирован белок.
Последовательность нуклеотидов – это генетический код, на котором закодирована эта информация.
Эти свойства реализуются в следующих процессах, происходящих в ядре:
1. Репликация (удвоение) ДНК
- двойная спираль ДНК раскручивается на две одинарных, а затем фермент ДНК-полимераза достраивает каждую цепь по принципу комплементарности ⇒ получается две двойных цепи
2. Транскрипция (синтез информационной РНК по матрице ДНК)
- информация с ДНК переписывается на молекулу иРНК. Это связано с тем, что ДНК всегда находится в ядре, поэтому ей нужен посредник в виде иРНК, которая перенесёт информацию о строении белка в цитоплазму, к месту синтеза белка (к рибосомам).
3. Репарация (восстановление ДНК)
- в ходе репликации неизбежно возникают ошибки, которые быстро устраняются особыми корректирующими белками, используя вторую цепь и принцип комплементарности.
Виды РНК
- Информационная (матричная) РНК (иРНК): синтезируется по матрице ДНК и переносит информацию о строении белка из ядра в цитоплазму (к рибосоме);
- Транспортная РНК (тРНК) – переносит аминокислоты к рибосоме; самая маленькая, имеет форму клеверного листа
- Рибосомная РНК (рРНК) – входит в состав рибосом вместе с рибосомальными белками
Отличия РНК от ДНК по строению
- рибоза вместо дезоксирибозы
- нет тимина, вместо него урацил
- одноцепочечная
АТФ
АТФ – это энергетический нуклеотид клетки, универсальный источник энергии.
Энергия в любом живом организме запасается и расходуется только в виде АТФ.
АТФ состоит из: рибозы, аденина и 3 остатков фосфорной кислоты.
Последние два остатка фосфорной кислоты связаны особой макроэргической связью, в которой содержится очень много энергии. При разрыве этой связи энергия выделяется и используется организмом.
НАД, НАДФ и ФАД – это особые нуклеотиды, коферменты, которые выполняют роль переносчиков электронов почти во всех метаболических процессах. Они присоединяют электроны и переносят их на следующий этап какого-либо процесса.
НАД, НАДФ и ФАД могут находиться в двух состояниях: в окисленном или восстановленном.
Окисленное состояние – это «пустой» переносчик, не несущий электрона (НАД+, НАДФ+, ФАД+)
Восстановленное состояние – это переносчик, несущий электрон (НАДН, НАДФН, ФАДН)
(добавляем букву H)
Пример: при гликолизе глюкоза окисляется до ПВК. Окислителем тут будет НАД – он подхватывает электроны глюкозы и восстанавливается до НАДН. Этот восстановленный НАДН в будущем отдает эти электроны на электрон-транспортной цепи для синтеза АТФ и снова становится НАД.
Подлянки на ЕГЭ
1) При энергетическом обмене все вещества распадаются, а АТФ синтезируется, и наоборот, при пластическом обмене все вещества синтезируются, а АТФ распадается.
2) Фермент, который синтезирует АТФ в митохондриях и хлоропластах, называется АТФ-синтаза. Но во многих источниках его по старинке называют протонной АТФ-азой или АТФ-синтетазой.