Лекция.Биополимеры. Нуклеиновые кислоты. ДНК

Запишите на доске номера вопросов

против них — краткие ответов.

……………………….

1. Что образуется при окислении 1 г белка?

2. В пробирки с пероксидом водорода поместили кусочек вареной колбасы, хлеба, моркови, рубленого яйца. В одной из пробирок выделялся кислород. В какой?

3. Какие свойства характерны для ферментов?

4. Что является ключом, а что замком в фермент-субстратном комплексе, согласно гипотезе Фишера?

5. Чем вызывается необходимость присутствия в пище витаминов?

6. Как называется восстановление структуры белковой молекулы после денатурации?

7. Между какими группировками аминокислот образуется пептидная связь?

8. Какие связи стабилизируют вторичную структуру белков?

9. Какие связи стабилизируют третичную структуру белковой молекулы?

Запишите ответы и садитесь на место.

Тема: Нуклеиновые кислоты. ДНК.

1. Характеристика ДНК.

1-5% сухой массы клетки. Виды: ДНК (в ядре, митохондриях, пластидах); РНК (еще и в цитоплазме).

Строение. 1953 г. Д.Уотсон и Ф.Крик – модель.

Правила Чаргаффа: 1. Содержание А = Т, Г = Ц в любой ДНК. 2. Сумма пуриновых (А+Г) равна сумме пиримидиновых нуклеотидов (Т+Ц).

Двойная спираль нуклеотидов, до 8 см длиной (!), всего в ядре у человека около 2 м ДНК.

Антипараллельность? Комплементарность?

Н

Удвоение (репликация) – полуконсервативным способом: одна цепь неизменна, матрица, другая образуется из свободных нуклеотидов.

Необходимы: ДНК, ферменты (ДНК-полимераза), нуклеотиды.

Функции ДНК. Хранение и передача наследственных свойств.

Биополимеры. Нуклеиновые кислоты. ДНК

1. Характеристика ДНК.

К нуклеиновым кислотам относят высокополимерные соединения, образующие при гидролизе пуриновые и пиримидиновые основания, пентозу и фосфорную кислоту. Нуклеиновые кислоты содержат С, Н, О, Р и N. В зависимости от углеводного компонента нуклеотидов, различают два класса нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Значение нуклеиновых кислот для живых организмов заключается в обеспечении хранения, реализации и передачи наследственной информации.

Молекулы ДНК являются полимерами, мономерами которых являются дезоксирибонуклеотиды, образованные остатком пятиуглеродного сахара — дезоксирибозы, остатком азотистого основания (пуринового — аденина, гуанина или пиримидинового — тимина, цитозина) и остатком фосфорной кислоты.

Трехмерная модель пространственного строения молекулы ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биологом Дж.Уотсоном и английским физиком Ф.Криком. За свои исследования они были удостоены Нобелевской премии.

Э.Чаргафф, обследовав огромное количество образцов тканей и органов различных организмов, выявил следующую закономерность: в любом фрагменте ДНК содержание остатков гуанина всегда точно соответствует содержанию цитозина, а аденина — тимину. Это положение получило название "правила Чаргаффа":

А + Г

А = Т; Г = Ц или ——— = 1

Ц + Т

Дж.Уотсон и Ф.Крик воспользовались этим правилом при построении модели молекулы ДНК.

ДНК представляет собой двойную спираль. Ее молекула образована двумя полинуклеотидными цепями, спирально закрученными друг около друга, и вместе вокруг воображаемой оси. Диаметр двойной спирали ДНК — 2 нм, шаг общей спирали, на который приходится 10 пар нуклеотидов — 3,4 нм. Длина молекулы — до нескольких сантиметров. Молекулярный вес составляет десятки и сотни миллионов. В ядре клетки человека общая длина ДНК около 2м.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот. Молекула нуклеотида состоит из трех частей: азотистого основания, пятиуглеродного сахара (пентозы) и фосфорной кислоты. Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов, в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота они и получили название азотистых, а поскольку они обладают щелочными свойствами — оснований. Азотистые основания нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Пиримидиновые основания являются производными пиримидина, имеющего в составе своей молекулы одно кольцо. К наиболее распространенным пиримидиновым основаниям относятся тимин, цитозин. Пуриновые основания являются производными пурина, имеющего два кольца. К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин.

Помимо азотистых оснований в образовании нуклеотидов принимают участие углеводный компонент, который представлен дезоксирибозой, относящейся к пентозам. Третьим компонентом нуклеотидов является остаток фосфорной кислоты — фосфат. Именно наличие фосфата придает нуклеиновым кислотам свойства кислот.

Названия нуклеотидов отличаются от названий соответствующих оснований. И те, и другие принято обозначать заглавными буквами:

О

Рис. 2. Строение ДНК.

Против одной цепи нуклеотидов располагается вторая цепь. Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК удерживаются друг около друга благодаря возникновению водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов, располагающихся друг против друга. Спаривание нуклеотидов не случайно, в его основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар оснований: против аденина одной цепи всегда располагается тимин на другой цепи, а против гуанина одной цепи — всегда цитозин другой, то есть

аденин комплементарен тимину и между ними две водородные связи, а гуанин — цитозину (три водородные связи). Комплементарностью называют способность нуклеотидов к избирательному соединению друг с другом. Таким образом, последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой. Цепи ДНК антипараллельны (разнонаправлены), то есть против 3'-конца одной цепи находится 5'-конец другой (рис.2). На периферию молекулы обращен сахаро-фосфатный остов, образованный чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Внутрь молекулы обращены азотистые основания.

Самоудвоение молекулы ДНК. Одним из уникальных свойств молекулы ДНК является ее способность к самоудвоению — воспроизведению точных копий исходной молекулы. Благодаря этой способности молекулы ДНК, осуществляется передача наследственной информации от материнской клетки дочерним во время деления. Процесс самоудвоения молекулы ДНК называют репликацией. Репликация — сложный процесс, идущий с участием ферментов (ДНК-полимераз). Репликация осуществляется полуконсервативным способом, то есть под действием ферментов молекула ДНК раскручивается и около каждой цепи, выступающей в роли матрицы, по принципу комплементарности достраивается новая цепь. Таким образом, в каждой дочерней ДНК одна цепь является материнской, а вторая — вновь синтезированной.

В материнской ДНК цепи антипараллельны. ДНК-полимеразы способны двигаться в одном направлении — от 3'-конца к 5'-концу, строя дочернюю цепь антипараллельно — от 5' к 3'-концу. Поэтому ДНК-полимераза передвигается в направлении 3'→5' по одной цепи (3'-5'), синтезируя дочернюю. Эта цепь называется лидирующей. Другая ДНК-полимераза движется по другой цепи (5'-3') в обратную сторону (тоже в направлении 3'→5'), синтезируя вторую дочернюю цепь фрагментами (их называют фрагменты Оказаки), которые после завершения репликации сшиваются в единую цепь. Эта цепь называется отстающей. Таким образом, на цепи 3'-5' репликация идет непрерывно, а на цепи 5'-3' — прерывисто.

Во время репликации энергия молекул АТФ не расходуется, так как для синтеза дочерних цепей при репликации используются не дезоксирибонуклеотиды (содержат один остаток фосфорной кислоты), а дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (содержат три остатка фосфорной кислоты). При включении дезоксирибонуклеозидтрифосфатов в полинуклеотидную цепь два концевых остатка отщепляются, и освободившаяся энергия используется на образование сложноэфирной связи между нуклеотидами.

Письменная работа с карточками на 10 мин:

1. В молекуле ДНК Т-нуклеотидов 20%. Определите и объясните процентное содержание остальных видов нуклеотидов.

2. В чем сходство и различие между белками и ДНК?

3. Как нуклеотиды ДНК соединяются в одну цепь, как две цепи нуклеотидов соединяются в одну молекулу?

Карточка для работы у доски:

1. Где в клетках эукариот содержится ДНК?

2. Каковы размеры ДНК?

3. Какие пуриновые основания входят в состав молекулы ДНК?

4. Фрагмент ДНК содержит 30000 нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, сколько свободных нуклеотидов для этого потребуется?

5. Как нуклеотиды ДНК соединены в одну цепь?

6. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, сколько А- и Т-нуклеотидов для этого потребуется?

7. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов и 40000 Ц-нуклеотидов. Сколько Т- и Г-нуклеотидов в данном фрагменте?

8. Какие ученые в 1953 году предложили модель строения молекулы ДНК?

9. Каковы функции ДНК в клетке?

10. Как располагаются цепи нуклеотидов в молекуле ДНК?

Тестовое задание:

**Тест 1. ДНК в клетках присутствует:

1. В цитоплазме. 5. В пластидах.

2. В ядре. 6. В комплексе Гольджи.

3. В рибосомах.

4. В митохондриях.

Тест 2. Размеры ДНК:

1. Ширина 20 мкм, длина до 8 см.

2. Ширина 2 мкм, длина до 8 см.

3. Ширина 20нм, длина до 8 см.

4. Ширина 2 нм, длина до 8 см.

**Тест 3. В состав молекулы ДНК входят пуриновые азотистые основания:

1. Аденин.

2. Гуанин.

3. Тимин.

4. Цитозин.

Тест 4. Фрагмент ДНК содержит 30000 нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, для этого потребуется свободных нуклеотидов:

1. 60000.

2. 45000.

3. 30000.

4. 15000.

Тест 5. Нуклеотиды ДНК соединены в одну цепь:

1. Через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и 3' атом дезоксирибозы другого.

2. Через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и азотистое основание другого.

3. Через остатки фосфорной кислоты соседних нуклеотидов.

4. Через дезоксирибозы соседних нуклеотидов.

Тест 6. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, для этого потребуется А- и Т-нуклеотидов:

1. А — 60000, Т — 60000.

2. А — 30000, Т — 30000.

3. А — 15000, Т — 15000.

4. Данных для ответа недостаточно.

Тест 7. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов и 40000 Ц-нуклеотидов. В данном фрагменте Т- и Г-нуклеотидов:

1. Т — 40000, Г — 30000.

2. Т — 30000, Г — 40000.

3. Т — 60000, Г — 80000.

4. Данных для ответа недостаточно.

**Тест 8. В 1953 году предложили модель строения молекулы ДНК:

1. Ф.Крик.

2. Г.Мендель.

3. Т.Морган.

4. Д.Уотсон.

Тест 9. Функции ДНК в клетке:

1. Один из основных источников энергии.

2. Принимает непосредственное участие в синтезе белков.

3. Обеспечивает синтез углеводов и липидов в клетке.

4. Участвует в хранении и передаче наследственной информации.

**Тест 10. Верные суждения:

1. Цепи нуклеотидов в молекуле ДНК антипараллельны.

2. Между А- и Т-нуклеотидами 2 водородные связи, между Г- и Ц-нуклеотидами 3 водородные связи.

3. А- и Т-нуклеотиды относятся к пиримидиновым нуклеотидам.

4. В состав нуклеотидов ДНК входит сахар рибоза.