Ботаніка – Неведомська Є. О. – 6. Органічні сполуки: нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти Вперше виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. Nucleus – ядро). До складу молекул нуклеїнових кислот, крім органогенних елементів (С, Н, О, N), неодмінно входить фосфор (Р).
Нуклеїнові кислоти – це біополімери, мономерами яких є Нуклеотиди (від лат. Nuсleus – ядро).
Молекула нуклеотиду складається із залишків таких компонентів:
O Азотиста (нітратна) основа – речовина зі складною циклічною структурою молекули – у великій кількості містить карбон і нітроген; основою називається тому, що має основні властивості; розрізняють п’ять видів азотистих основ:
– аденін (скорочено позначається А);
– гуанін (Г);
– цитозин (Ц);
– тимін (Т);
– урацил (У);
O п’ятикарбоновий (п’ятивуглецевий) моносахарид – Пентоза; Розрізняють: рибозу та Дезоксирибозу; вони відрізняються лише тим, що в дезоксирибозі (тобто позбавленій О рибозі) біля другого атома С розташована не гідроксильна група (-ОН), а Н; аденін, гуанін і цитозин утворюють нуклеотиди як із рибозою, так і з дезоксирибозою; тимін – лише з дезоксирибозою, а урацил – лише з рибозою;
O залишок Фосфорної кислоти (фосфат), Наявність якого визначає кислотні властивості нуклеотиду.
Схема молекули нуклеотиду (схема 1):
Крім нуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, неодмінним компонентом будь-якої клітини є вільні нуклеотиди. До складу вільних нуклеотидів входять, крім азотистої основи і пентози, три залишки фосфорної кислоти, які послідовно сполучаються. Причому друга і третя групи фосфорної кислоти приєднуються до нуклеотиду особливими зв’ язками, у яких запасається енергія. Ці зв’ язки називають макроергічними (від грецьк. makros – великий, ergon – робота) і позначаються значком ~ . При розриві звичайного ковалентного зв’язку вивільняється 12 кДж/моль, а при розриві макроергічного зв’язку – 33 кДж/моль. Саме макроергічні зв’ язки в нуклеотидах використовуються для запасання енергії в ході обміну речовин.
Найчастіше роль акумулятора енергії виконує Аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ складається з азотистої основи – аденіну, пентози – рибози і трьох залишків фосфорної кислоти (фосфатів), які послідовно сполучаються макроергічними зв’ язками. Схема молекули АТФ (схема 2):
Будь-яка хімічна реакція, що потребує затрат енергії, пов’язана з відщепленням одного залишку фосфорної кислоти в молекулі АТФ і перетворення її на аденозиндифосфат (АДФ). Накопичення енергії в клітині, навпаки, відбувається за рахунок перетворення АДФ на АТФ.
Мононуклеотиди (нуклеотиди, які містять лише один залишок фосфорної кислоти), так само, як амінокислоти і моносахариди, здатні реагувати між собою. Перебіг такої реакції супроводиться виділенням молекули води і утворенням міцного ефірного зв’ язку. Сполучною речовиною між нуклеотидами слугує залишок фосфорної кислоти, що скріплює пентози сусідніх нуклеотидів, формуючи полімер – полінук-леотид, який звичайно називають нуклеїновою кислотою. Вона може містити від кількох сотень до кількох мільйонів нуклеотидів. Полінук-леотиди мають суворо лінійну структуру ланцюга. Маса нуклеїнових кислот, як правило, значно вища від маси білків.
Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот: Дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК – рибози. У молекулі ДНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну. У молекулі РНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і урацилу.
Отже, до складу молекули ДНК і РНК входить по чотири типи нук-леотидів, які відрізняються за типом азотистої основи.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) Зосереджена в ядрі, її практично немає в цитоплазмі клітини. Цей тип нуклеїнових кислот утворює дуже великі молекули (масою до 100 000 000). Вміст ДНК в ядрі клітини постійний, вона виконує єдину функцію – зберігає генетичну інформацію.
Ген (від грец. genos – походження) – це ділянка молекули нуклеїнової кислоти, яка визначає спадкові ознаки організмів.
1950 року американський вчений Ервін Чаргафф Та його колеги, досліджуючи склад ДНК, виявили певні закономірності кількісного вмісту залишків азотистих основ у її молекулі:
– кількість аденінових залишків у будь-якій молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А=Т), а гуанінових – цитозинових (Г=Ц);
– сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г=Т+Ц).
Таке співвідношення азотистих основ у молекулі ДНК дістало назву правила Чаргаффа, або Правила еквівалентності.
Це відкриття сприяло встановленню просторової структури ДНК (рис.1) і визначенню її ролі в перенесенні спадкової інформації від материнської клітини до дочірньої. 1953 року американські вчені Джеймс Уотсон і Френсіс Крик довели, що молекула ДНК складається з двох з’єднаних полінуклеотидних ланцюгів, які являють собою спіраль, закручену вправо. Діаметр спіралі ДНК дорівнює 210-9 м, а відстань між сусідніми нуклеотидами – 0,34 o 10-9 м. На один виток спіралі припадає 10 нуклеотидів.
Рис.1. Просторова структура ДНК
Полінуклеотидні ланцюги сполучаються водневими зв’язками, що виникають між азотистими основами, розміщеними навпроти одна до одної.
Між аденіном і тиміном утворюються два водневих зв’язки, а між гуаніном і цитозином – три. Водневі зв’язки дуже слабкі, але завдяки багаторазовому повторенню вони утворюють дуже міцну структуру, яка водночас є лабільною, що надає спіралі ДНК можливості легко розкручуватися, а потім знову швидко відновлювати дволанцюгову структуру.
Молекули А-Т і Г-Ц ніби доповнюють одна одну. Здатність доповнювати одна одну, притаманна поверхням хімічних сполук, що взаємодіють, називається комплементарністю (від лат. komplementum – доповнення).
Схема будови подвійної спіралі ДНК (схема 3).
Молекули ДНК, так само як і білки, утворюють кілька рівнів просторової організації:
O первинна структура ДНК – це певна послідовність розташування нуклеотидів у ланцюзі ДНК;
O вторинна структура ДНК – це подвійна спіраль;
O третинна структура ДНК – це суперспіраль (багаторазове згортання); саме така структура ДНК в ядрі клітині. Така укладка здійснюється за допомогою спеціальних білків – Гістонів, що мають лужні властивості, а молекули ДНК намотуються на ці білки наче нитки на котушку. Завдяки цьому молекула ДНК, довжина якої, наприклад в людини, 8 см, укладається в клітинне ядро, що його можна розглянути лише під мікроскопом.
Схема 3. Схема будови подвійної спіралі ДНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).
ДНК, як і білки, можуть денатурувати (втрачати геометричну форму і розпадатися на одинарні ланцюги) під впливом різних чинників. Цей процес відбувається при температурі +70°С, – значно вищій від температури денатурації білків, і тому називається Плавленням. За певних умов можливе й відновлення природної структури – ренатурація.
Процес синтезу ДНК розпочинається перед поділом клітини і зумовлений складанням нового полінуклеотидного ланцюга за матрицею старого ланцюга. Цей процес називається реплікацією (від лат. герігсагго – відбивати) і відбувається в такій послідовності:
O спочатку під дією спеціальних ферментів подвійна спіраль розкручується і утворюється реплікативна вилка;
O майже відразу завдяки ферменту ДНК-полімеразі починається ферментативне складання нових полінуклеотидних ланцюгів: фермент пересувається уздовж кожної нитки ДНК і послідовно створює комплементарну нитку ДНК.
Схему процесу реплікації подано на рис. 2.
Синтез полімерів, коли один ланцюг слугує еталоном, матрицею для іншого, називається матричним синтезом. Особливостями цього синтезу є точність копіювання і висока швидкість перебігу реакцій. Висока точність реплікації досягається завдяки комплементарності азотистих основ.
Надійність копіювання – це надзвичайно важлива властивість процесу реплікації, бо помилки в копіюванні нуклеотидних послідовностей
ДНК призводять до помилкового синтезу ферментів, що неминуче порушує регуляцію основних функцій організму, наслідком чого є зниження його життєздатності. Ці порушення є спадковими.
А – дволанцюгова молекула ДНК:
1 – перший ланцюг ДНК; 2 – другий ланцюг ДНК;
Б – утворення реплікативної вилки;
В – синтез комплементарних ланцюгів:
3 – нуклеотиди, які добудовують комплементарний ланцюг ДНК; Г – синтезовані дві однакові молекули ДНК.
Рибонуклеїнові кислоти (РНК) містяться як в ядрі клітини, так і в цитоплазмі, і відзначаються незначними розмірами – від 75 до кількох тисяч нуклеотидів. Молекули РНК, на відміну від ДНК, складаються лише з одного ланцюга (схема 4).
Схема 4. Схема будови РНК (на схемі фосфат позначено літерою Р).
Відомо три основні типи РНК:
1) транспортна (тРНК) – це невеликий полінуклеотид, що складається в середньому з 80 нуклеотидів; вона виконує функцію транспортування амінокислот під час синтезу білків;
2) інформаційна (іРНК), Або Матрична (мРНК) – містить інформацію про послідовність структури різних білків, тому має різноманітну структуру і розмір у багато разів більший за тРНК;
3) рибосомна (рРНК) – є головний компонент рибосом – органел клітини, у яких відбувається синтез білка.
Усі типи РНК синтезуються на молекулах ДНК у процесі транскрипції (від лат. transcriptio – переписування). Ферменти розплітають спіраль ДНК на невеликій ділянці, пересуваються уздовж однієї нитки ДНК і послідовно створюють комплементарну нитку РНК.
Схематичне зображення процесу транскрипції подано на рис. 3.
Відмінність транскрипції від реплікації полягає в тому, що навпроти А в ланцюгу ДНК в РНК розміститься У, а не Т.
Усі типи РНК беруть тільки в певному, але надзвичайно важливому для життя клітини процесі – біосинтезі білка. Він забезпечує оновлення білків, ріст і функціонування клітин.
Питання для самоперевірки
1. Які хімічні елементи входять до складу живих організмів?
2. Чому С, О, N, Н називаються органогенами?
3. Які особливості будови молекули води визначають її біологічні функції?
4. Чому вода має виняткове значення для живих організмів?
5. У чому відмінність ліпідів від інших органічних речовин?
6. Визначте біологічне значення ліпідів.
7. Які хімічні елементи входять до складу вуглеводів? Яка загальна формула моносахаридів?
8. Визначте біологічне значення вуглеводів.
9. Охарактеризуйте будову і функції білків.
10. Опишіть будову нуклеотидів. Яка їхня роль у клітині?
11. Порівняйте будову ДНК і РНК.
Цікаво знати, що
– Військо давньогрецького полководця Олександра Македонського завоювало півсвіту. Здавалося, ніщо і ніхто не може зупинити переможної ходи війська. Та от солдат почали косити шлункові захворювання. Проте найдивнішим було те, що офіцери харчувалися тими самими продуктами, що й солдати, але майже не хворіли. Армія змушена була безславно повернутися додому. Довгі роки учені шукали розгадку: чому ж хворіли переважно солдати? І нарешті висунули таку версію: солдати харчувалися з олов’яного посуду, а офіцери – зі срібного. Вода здатна в мізерних порціях розчиняти обидва метали. Але срібло, “розчиняючись”, має здатність знезаражувати воду, вбиваючи бактерій. Ось чому офіцери хворіли значно менше, ніж солдати.
З історії науки
– Квіти здатні змінювати забарвлення за наявності кислот та основ. Таку властивість помітив англійський учений Роберт Бойль (16171691). А сталося це цілком випадково: коли букет фіалок полежав у його лабораторії поруч із хлоридною кислотою (HCl), квіти набули червонуватого кольору. Роберту Бойлю належить й термін “індикатор” (від лат. Indicator – показник).
Життєві поради
– Американські вчені дійшли висновку, що люди, які сивіють до 40 років, страждають від нестачі кальцію в організмі. Серед інших проявів браку кальцію в організмі – схильність до переломів кісток, остеопороз, дефекти зубної емалі, тривала втома, сонливість, що часто переходить в апатію або навіть у депресію.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)