Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

│

 

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) Рибонуклеиновая кислота (РНК)

ДНК и РНК – полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

 

Строение нуклеотида – мономера нуклеиновых кислот:

 

Состав	Строение
Химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор (C, H, O, N, P).	Это соединение, состоящее из азотистого основания, углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты.

 

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

 

Строение нуклеотида ДНК

 

Органическое азотистое основание: либо аденин А, либо гуанин Г, либо цитозин Ц, либо тимин Т

Углевод дезоксирибоза

Остаток фосфорной кислоты

 

Строение нуклеотида РНК

 

Органическое азотистое основание: либо аденин А, либо гуанин Г, либо цитозин Ц, либо урацил У

Углевод рибоза

Остаток фосфорной кислоты

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

 

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

ДНК РНК

А = Т А = У

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

 

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых — числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией.

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

 

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

 

РНК	Месторасположение в клетке	Функции
Рибосомная РНК (рРНК) – самые крупные РНК, состоящие из 3 - 5 тысяч нуклеотидов.	Рибосомы	Структурная (рРНК вместе с белковой молекулой образует рибосому)
Транспортная РНК (тРНК) – самые маленькие РНК, состоящие из 80 – 100 нуклеотидов.	Цитоплазма	Перенос аминокислот в рибосомы – месту синтеза белка, узнавание кодона на иРНК
Информационная, или матричная РНК (иРНК) – РНК, состоящие из 300 - 3000 нуклеотидов.	Ядро, цитоплазма	Перенос генетической информации от ДНК к месту синтеза белка -рибосомам, является матрицей для строящейся белковой молекулы (полипептида)

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

	ДНК	РНК
Строение
Углевод	Дезоксирибоза	Рибоза
Азотистые основания	АТГЦ	АУГЦ
Количество цепей в молекуле	Две	Одна
Локализация в клетке
Прокариоты	Цитоплазма	Цитоплазма, рибосомы
Эукариоты	Ядро (хромосомы), органоиды (пластиды, митохондрии)	Ядро, органоиды (пластиды, митохондрии, рибосомы), цитоплазма

 

Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФ по строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Состав	Строение	Месторасположение в клетке
Химические элементы: углерод, водород, кислород, азот, фосфор (C, H, O, N, P).	Это соединение, состоящее из нуклеотида – азотистого основания аденина, углевода рибозы, и трех остатков фосфорной кислоты.	Цитоплазма, митохондрии, пластиды, ядро

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

 

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями. Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.