Лекция к уроку: Нуклеиновые кислоты. Роль в клетке и организме.

Лекция

Тема 1.1. Химическая организация клетки.

Тема 1.1.4. Органические вещества. Нуклеиновые кислоты.

Знания, умения и навыки, которыми должны обладать обучающиеся:

З1. - основные положения биологических теорий и закономерностей: клеточной теории строение и функционирование биологических объектов;

З2. - строение и функционирование биологических объектов;

З3 - вклад выдающихся (в том числе отечественных) учёных в развитие биологической науки;

У1. - объяснять роль биологии в формировании научного мировоззрения; вклад биологических теорий в формирование современной естественно-научной картины мира; единство живой и неживой природы, родство живых организмов;

У2. - сравнивать биологические объекты: химический состав тел живой и неживой природы, зародышей человека и других животных, природные экосистемы и агроэкосистемы своей местности;

У3. - находить информацию о биологических объектах в различных источниках (учебниках, справочниках, научно-популярных изданиях, компьютерных базах, ресурсах сети Интернет) и критически её оценивать.

СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ:

Изучение нового материала

Вопросы (план):

1. Нуклеиновые кислоты.

2. ДНК. Строение и функции

3. РНК. Строение и функции

1. Нуклеиновые кислоты. Виды нуклеиновых кислот.

Нуклеиновые кислоты – самые крупные из молекул, образуемых живыми организмами, состоят из углерода, водорода, кислорода, фосфора и азота. Их молекулярная масса может быть от 10 000 до нескольких миллионов углеродных единиц. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г. швейцарским врачом Фридрихом Мишером в ядрах лейкоцитов, входящих в состав гноя. Так как наиболее высокое содержание нуклеиновых кислот обнаружено в ядрах клеток, то они и получили свое название от латинского «нуклеус» – ядро. Хотя теперь выяснено, что нуклеиновые кислоты есть и в цитоплазме, и в целом ряде органоидов – митохондриях, пластидах, а также во всех растительных и животных клетках, бактериях, протистах, грибах и вирусах.

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, состоящими из мономеров – нуклеотидов.

Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пятиуглеродного моносахарида (пентозы) и фосфатной группы (рис.6).

Рис.6

Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт пентозы одного нуклеотида и фосфатной группы другого нуклеотида. Причем, концы цепочки нуклеотидов, связанных в нуклеиновую кислоту, разные. На одном конце расположен связанный с пятым атомом пентозы фосфат, и этот конец называется 5'-концом (читается «пять штрих»). На другом конце остается не связанная с фосфатом ОН- группа около третьего атома пентозы (3'-конец). Благодаря реакции полимеризации нуклеотидов образуются нуклеиновые кислоты. В зависимости от вида пентозы различают два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (сокращенно ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Название кислот обусловлено тем, что молекула ДНК содержит дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.

2. ДНК. Строение и функции

ДНК – полимер, мономерами которой являются нуклеотиды – дезоксирибонуклеотиды.

Молекула ДНК образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга и вместе вокруг воображаемой оси, т.е. представляет собой двойную спираль (исключение – некоторые ДНК-содержащие вирусы имеют одноцепочечную ДНК).

Модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком (рис.7).

Диаметр двойной спирали ДНК – 2 нм, расстояние между соседними нуклеотидами – 0,34 нм, на один оборот спирали приходится 10 пар нуклеотидов (3,4нм). Длина молекулы может достигать нескольких сантиметров. Молекулярный вес – десятки и сотни миллионов. Суммарная длина ДНК ядра клетки человека – около 2 м.

В эукариотических клетках ДНК образует комплексы с белками и имеет специфическую пространственную конформацию.

Мономер ДНК – нуклеотид (дезоксирибонуклеотид) – содержит одно из четырех азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин, тимин), пятиуглеродный моносахарид (дезоксирибозу) и остаток фосфорной кислоты.

Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания ДНК (имеют в составе своей молекулы одно кольцо) – тимин, цитозин. Пуриновые основания (имеют два кольца) – аденин и гуанин.

Название нуклеотида является производным от названия соответствующего основания. Нуклеотиды и азотистые основания обозначаются заглавными буквами.

Нуклеотиды, входящие в состав одной цепи, последовательно соединяются за счет образования ковалентных связей между дезоксирибозой одного и остатком фосфорной кислоты другого нуклеотида. Азотистые основания, которые располагаются по одну сторону от образовавшегося остова одной цепи ДНК, формируют водородные связи с азотистыми основаниями второй цепи.

Таким образом, в спиральной молекуле двухцепочечной ДНК азотистые основания находятся внутри спирали. Структура спирали такова, что входящие в ее состав полинуклеотидные цепи могут быть разделены только после раскручивания спирали. Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Расположение нуклеотидов в этих двух цепях не случайное, а строго определенное: против аденина одной цепи в другой цепи всегда располагается тимин, а против гуанина – всегда цитозин, между аденином и тимином возникают две водородные связи, между гуанином и цитозином – три водородные связи. Закономерность, согласно которой нуклеотиды разных цепей ДНК строго упорядоченно располагаются (аденин – тимин, гуанин – цитозин) и избирательно соединяются друг с другом, называется принципом комплементарности (от лат. сomplementum – дополнение). Следует отметить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик пришли к пониманию принципа комплементарности после ознакомления с работами Э. Чаргаффа. Он, изучив огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, установил, что в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина – тимину («правило Чаргаффа»), но объяснить этот факт он не смог.

Из принципа комплементарности следует, что последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой. Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), т.е. нуклеотиды разных цепей располагаются в противоположных направлениях, и, следовательно, напротив 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой. Молекулу ДНК иногда сравнивают с винтовой лестницей. «Перила» этой лестницы – сахарофосфатный остов (чередующиеся остатки дезокси-рибозы и фосфорной кислоты); «ступени» – комплементарные азотистые основания. При соединении с определенными белками – гистонами – степень спирализации молекулы ДНК повышается. Молекула утолщается и укорачивается. В дальнейшем спирализация достигает максимума, возникает спираль еще более высокого уровня – суперспиралъ. При этом молекула становится различима в световой микроскоп как вытянутое, хорошо окрашиваемое тельце – хромосома.

Функции ДНК: хранение и передача наследственных признаков. Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и специфична, так как представляет собой кодовую форму записи биологической информации (генетический код). Другими словами, с помощью четырех типов нуклеотидов в ДНК записана вся важная информация об организме, передающаяся по наследству последующим поколениям.

В клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом, а также в некоторых клеточных органоидах (митохондриях и пластидах). В клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая или линейная молекула ДНК, так называемый нуклеоид, прикреплена изнутри к клеточной мембране. У них и у низших эукариот (например, дрожжей) встречаются также небольшие автономные, преимущественно кольцевые молекулы ДНК, называемые плазмидами. Кроме того, одно - или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов.

1. РНК. Строение и функции.

РНК – полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение – некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

В клетке молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, рибосомах, митохондриях и пластидах. Также РНК может использоваться в качестве генома вирусов и вирусоподобных частиц.

Мономер РНК – нуклеотид (рибонуклеотид) – содержит пятиуглеродный моносахарид (рибозу), остаток фосфорной кислоты и одно из четырех азотистых оснований. Три азотистых основания – аденин, гуанин и цитозин – такие же, как и у ДНК, а четвертым является урацил. Азотистые основания РНК также относятся к классам пиримидинов и пуринов. Пиримидиновые основания РНК – урацил, цитозин, пуриновые основания – аденин и гуанин.

Образование полимера РНК происходит так же, как и у ДНК, через ковалентные связи между рибозой и остатком фосфорной кислоты соседних нуклеотидов. Молекула РНК может содержать от 75 до 10 000 нуклеотидов.

Типы РНК. Выделяют три основных типа РНК: информационная (матричная) РНК – иРНК (мРНК), транспортная РНК – тРНК, рибосомная РНК – рРНК. Все типы РНК принимают участие в процессах синтеза белка, но различаются по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям. Информация о строении всех типов РНК хранится в ДНК. Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией.

Информационные, или матричные, РНК разнообразны по содержанию нуклеотидов и молекулярной массе (от 50 000 до 4 000 000). На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке. Синтезируются иРНК в ядре на участке одной из цепей молекулы ДНК по принципу комплементарности, после чего она переходит в цитоплазму. В зависимости от объема копируемой информации молекула иРНК может иметь различную длину. В иРНК закодирована последовательность расположения аминокислот в белке в виде кодонов – комбинаций из трёх последовательно расположенных нуклеотидов.

Функции информационной РНК: перенос генетической информации (о структуре белка) из ядра клетки (от ДНК) к рибосомам, матрица для синтеза молекулы белка, 3) определение аминокислотной последовательности первичной структуры белковой молекулы.

Транспортные РНК являются самыми небольшими по размеру РНК, состоящими из 74-95 нуклеотидов, с молекулярной массой – 25 000-30 000. На долю тРНК приходится около 10% клеточной РНК. Синтезируются в ядре на ДНК, затем переходят в цитоплазму.

Каждая тРНК присоединяет определенную аминокислоту и транспортирует ее к месту сборки полипептида в рибосоме. В клетке встречается около 40 видов тРНК и каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов. Однако у всех тРНК имеется несколько внутримолекулярных комплементарных участков, из-за которых тРНК приобретают конформацию, напоминающую по форме лист клевера.

У любой тРНК есть петля для контакта с рибосомой, антикодоновая петля, петля для контакта с ферментом, акцепторный стебель, антикодон.

В молекуле тРНК выделяют два активных участка: триплет-антикодон на одном конце и акцепторный конец на другом. Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторного стебля.

Антикодон – три нуклеотида, «опознающие» кодон иРНК. Следует подчеркнуть, что конкретная тРНК может транспортировать аминокислоту, соответствующую только ее антикодону.

Функции транспортной РНК: 1) транспорт аминокислот к месту синтеза белка – к рибосомам, 2) трансляционный посредник.

Рибосомные РНК (рРНК) содержат 3000-5000 нуклеотидов; молекулярная масса – 1 000 000 – 1 500 000. На долю рРНК приходится 80–85% от общего содержания РНК в клетке. В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы – органоиды, осуществляющие синтез белка. В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.

Функции рибосомной РНК: 1) необходимый структурный компонент рибосом и, таким образом, обеспечение функционирования рибосом; 2) обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК; 3) первоначальное связывание рибосомы и кодона-инициатора иРНК и определение рамки считывания; 4) формирование активного центра рибосомы.

Все типы РНК, за исключением генетической РНК вирусов, не способны к самоудвоению и самосборке.

Вопросы для закрепления изученного материала:

1. Охарактеризуйте химический состав клетки. Укажите классы и роль основных неорганических и органических веществ.

2. Какие аминокислоты называются незаменимыми и сколько их?

3. Чем представлена первичная структура белков?

4. Чем представлена вторичная структура белка?

5. Сколько энергии выделяется при расщеплении 1 г белков, углеводов, липидов?

6. Охарактеризуйте структуру и функции белков в клетке и организме.

7. Охарактеризуйте структуру и функции нуклеиновых кислот в клетке и организме.

Информационное обеспечение обучения:

1. Общая биология: Учебн. для 10–11 кл. общеобразоват. учреждений / Д.К. Беляев, П.М. Бородин, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, Г.М. Дымшица. – М.: Просвещение, 2020. – 303 с.: ил.

2. Сухорукова, Л. Н. Биология. 10-11 классы. Базовый уровень. Учебник / Л.Н. Сухорукова, Т.В. Иванова. - М.: Просвещение, 2020. - 128 c.

3. Константинов, В. М. Общая биология: учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования / В. М. Константинов, А. Г. Резанов, Е. О. Фадеева. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 256 с.

Дополнительная, интернет - ресурсы

1. www. sbio. info

2. www. window. edu. ru

3. www.5ballov. ru/test

4. www. vspu. ac. ru/deold/bio/bio. htm

5. www. biology. ru