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:
Азотистое основание | Нуклеотид | Обозначение |
Аденин | Адениловый | А |
Гуанин | Гуаниловый | Г или G |
Цитозин | Цитидиловый | Ц или С |
Тимин | Тимидиловый | Т |
О
Рис. 2. Строение ДНК.
дна цепь нуклеотидов образуется в результате реакций конденсации нуклеотидов. При этом между 3'-углеродом остатка сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого возникает сложноэфирная связь. В результате образуются неразветвленные полинуклеотидные цепи. Один конец полинуклеотидной цепи заканчивается 5'-углеродом (его называют 5'-концом), другой –3'-углеродом (3'-концом).
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:
Где в клетках эукариот содержится ДНК?
Каковы размеры ДНК?
Какие пуриновые основания входят в состав молекулы ДНК?
Фрагмент ДНК содержит 30000 нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, сколько свободных нуклеотидов для этого потребуется?
Как нуклеотиды ДНК соединены в одну цепь?
Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, сколько А- и Т-нуклеотидов для этого потребуется?
Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов и 40000 Ц-нуклеотидов. Сколько Т- и Г-нуклеотидов в данном фрагменте?
Какие ученые в 1953 году предложили модель строения молекулы ДНК?
Каковы функции ДНК в клетке?
Как располагаются цепи нуклеотидов в молекуле ДНК?
Тестовое задание:
**Тест 1. ДНК в клетках присутствует:
В цитоплазме. 5. В пластидах.
В ядре. 6. В комплексе Гольджи.
В рибосомах.
В митохондриях.
Тест 2. Размеры ДНК:
Ширина 20 мкм, длина до 8 см.
Ширина 2 мкм, длина до 8 см.
Ширина 20нм, длина до 8 см.
Ширина 2 нм, длина до 8 см.
**Тест 3. В состав молекулы ДНК входят пуриновые азотистые основания:
Аденин.
Гуанин.
Тимин.
Цитозин.
Тест 4. Фрагмент ДНК содержит 30000 нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, для этого потребуется свободных нуклеотидов:
60000.
45000.
30000.
15000.
Тест 5. Нуклеотиды ДНК соединены в одну цепь:
Через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и 3' атом дезоксирибозы другого.
Через остаток фосфорной кислоты одного нуклеотида и азотистое основание другого.
Через остатки фосфорной кислоты соседних нуклеотидов.
Через дезоксирибозы соседних нуклеотидов.
Тест 6. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов. Происходит удвоение ДНК, для этого потребуется А- и Т-нуклеотидов:
А — 60000, Т — 60000.
А — 30000, Т — 30000.
А — 15000, Т — 15000.
Данных для ответа недостаточно.
Тест 7. Фрагмент ДНК содержит 30000 А-нуклеотидов и 40000 Ц-нуклеотидов. В данном фрагменте Т- и Г-нуклеотидов:
Т — 40000, Г — 30000.
Т — 30000, Г — 40000.
Т — 60000, Г — 80000.
Данных для ответа недостаточно.
**Тест 8. В 1953 году предложили модель строения молекулы ДНК:
Ф.Крик.
Г.Мендель.
Т.Морган.
Д.Уотсон.
Тест 9. Функции ДНК в клетке:
Один из основных источников энергии.
Принимает непосредственное участие в синтезе белков.
Обеспечивает синтез углеводов и липидов в клетке.
Участвует в хранении и передаче наследственной информации.
**Тест 10. Верные суждения:
Цепи нуклеотидов в молекуле ДНК антипараллельны.
Между А- и Т-нуклеотидами 2 водородные связи, между Г- и Ц-нуклеотидами 3 водородные связи.
А- и Т-нуклеотиды относятся к пиримидиновым нуклеотидам.
В состав нуклеотидов ДНК входит сахар рибоза.