§6. Нуклеїнові кислоти. АТФ. Лекція нуклеїнових кислот. Атф нуклеїнові кислоти Які мономери входять до складу молекули атф

Продовження. Див. № 11, 12, 13, 14, 15, 16/2005

Уроки біології в класах природничо-наукового профілю

Розширене планування, 10 клас

Урок 19. Хімічна будова та біологічна роль АТФ

Обладнання:таблиці із загальної біології, схема будови молекули АТФ, схема взаємозв'язку пластичного та енергетичного обмінів.

I. Перевірка знань

Проведення біологічного диктанту «Органічні сполуки живої матерії»

Вчитель читає тези під номерами, учні записують у зошит номери тих тез, які підходять за змістом їхнього варіанту.

Варіант 1 – білки.
Варіант 2 – вуглеводи.
Варіант 3 – ліпіди.
Варіант 4 – нуклеїнові кислоти.

1. У чистому вигляді складаються лише з атомів С, Н, Про.

2. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і зазвичай S.

3. Крім атомів, Н, Про містять атоми N і Р.

4. Мають відносно невелику молекулярну масу.

5. Молекулярна маса може бути від тисяч до кількох десятків та сотень тисяч дальтонів.

6. Найбільші органічні сполуки з молекулярною масою до кількох десятків і сотень мільйонів дальтонів.

7. Мають різні молекулярні маси – від дуже невеликої до дуже високої, залежно від того, чи є речовина мономером або полімером.

8. Складаються з моносахаридів.

9. Складаються з амінокислот.

10. Складаються із нуклеотидів.

11. Є складними ефірами вищих жирних кислот.

12. Основна структурна одиниця: «азотиста основа-пентоза-залишок фосфорної кислоти».

13. Основна структурна одиниця: "амінокислот".

14. Основна структурна одиниця: «моносахарид».

15. Основна структурна одиниця: «гліцерин-жирна кислота».

16. Молекули полімерів побудовані з однакових мономерів.

17. Молекули полімерів побудовані зі схожих, але не цілком однакових мономерів.

18. Не є полімерами.

19. Виконують майже виключно енергетичну, будівельну та запасну функції, у деяких випадках – захисну.

20. Крім енергетичної та будівельної виконують каталітичну, сигнальну, транспортну, рухову та захисну функції;

21. Здійснюють зберігання та передачу спадкових властивостей клітини та організму.

Варіант 1 – 2; 5; 9; 13; 17; 20.
Варіант 2 – 1; 7; 8; 14; 16; 19.
Варіант 3 – 1; 4; 11; 15; 18; 19.
Варіант 4– 3; 6; 10; 12; 17; 21.

ІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Будова аденозинтрифосфорної кислоти

Крім білків, нуклеїнових кислот, жирів та вуглеводів у живій речовині синтезується велика кількість інших органічних сполук. Серед них важливу роль у біоенергетиці клітини відіграє аденозинтрифосфорна кислота (АТФ).АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. У клітинах найчастіше аденозинтрифосфорна кислота є у вигляді солей, званих аденозинтрифосфатами. Кількість АТФ коливається й у середньому становить 0,04% (у клітині загалом перебуває близько 1 млрд молекул АТФ). Найбільша кількість АТФ міститься у кістякових м'язах (0,2–0,5%).

Молекула АТФ складається з азотистого підстави – аденіну, пентози – рибози та трьох залишків фосфорної кислоти, тобто. АТФ – особливий аденіловий нуклеотид. На відміну від інших нуклеотидів АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти. АТФ відноситься до макроергічних речовин - речовин, що містять у своїх зв'язках велику кількість енергії.

Просторова модель (А) та структурна формула (Б) молекули АТФ

Зі складу АТФ під дією ферментів АТФаз відщеплюється залишок фосфорної кислоти. АТФ має стійку тенденцію до відділення своєї кінцевої фосфатної групи:

АТФ 4– + Н 2 О ––> АДФ 3– + 30,5 кДж + Фн,

т.к. це призводить до зникнення енергетично невигідного електростатичного відштовхування між сусідніми негативними зарядами. Фосфат, що утворився, стабілізується за рахунок утворення енергетично вигідних водневих зв'язків з водою. Розподіл заряду у системі АДФ + Фн стає стійкішим, ніж у АТФ. Внаслідок цієї реакції вивільняється 30,5 кДж (при розриві звичайного ковалентного зв'язку вивільняється 12 кДж).

Для того, щоб підкреслити високу енергетичну вартість фосфорно-кисневого зв'язку в АТФ, її прийнято позначати знаком ~ і називати макроенергетичним зв'язком. При відщепленні однієї молекули фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорная кислота), і якщо відщеплюються дві молекули фосфорної кислоти, то АТФ перетворюється на АМФ (аденозинмонофосфорная кислота). Відщеплення третього фосфату супроводжується виділенням лише 13,8 кДж, отже власне макроергічних зв'язків у молекулі АТФ лише дві.

2. Утворення АТФ у клітині

Запас АТФ у клітині невеликий. Наприклад, у м'язі запасів АТФ вистачає на 20–30 скорочень. Але ж м'яз здатний працювати годинником і виробляти тисячі скорочень. Тому поряд з розпадом АТФ до АДФ у клітині має безперервно йти зворотний синтез. Існує кілька шляхів синтезу АТФ у клітинах. Познайомимося із ними.

1. Анаеробне фосфорилювання.Фосфорилювання називають процес синтезу АТФ з АДФ і низькомолекулярного фосфату (Фн). В даному випадку мова йдепро безкисневі процеси окислення органічних речовин (наприклад, гліколіз – процес безкисневого окислення глюкози до піровиноградної кислоти). Приблизно 40% енергії, що виділяється в ході цих процесів (близько 200 кДж/моль глюкози), витрачається на синтез АТФ, а решта розсіюється у вигляді тепла:

З 6 Н 12 Про 6 + 2АДФ + 2Фн -> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.

2. Окисне фосфорилювання- Це процес синтезу АТФ за рахунок енергії окислення органічних речовин киснем. Цей процес було відкрито на початку 1930-х років. XX ст. В.А. Енгельгардт. Кисневі процеси окислення органічних речовин протікають у мітохондріях. Приблизно 55% енергії, що виділяється при цьому (близько 2600 кДж/моль глюкози) перетворюється на енергію хімічних зв'язків АТФ, а 45% розсіюється у вигляді тепла.

Окисне фосфорилювання значно ефективніше анаеробних синтезів: якщо в процесі гліколізу при розпаді молекули глюкози синтезується всього 2 молекули АТФ, то в ході окисного фосфорилювання утворюється 36 молекул АТФ.

3. Фотофосфорилювання- Процес синтезу АТФ за рахунок енергії сонячного світла. Цей шлях синтезу АТФ характерний лише клітин, здатних до фотосинтезу (зелені рослини, ціанобактерії). Енергія квантів сонячного світла використовується фотосинтетиками у світлову фазу фотосинтезу синтезу АТФ.

3. Біологічне значення АТФ

АТФ знаходиться в центрі обмінних процесів у клітині, будучи сполучною ланкою між реакціями біологічного синтезу та розпаду. Роль АТФ у клітині можна порівняти з роллю акумулятора, оскільки у ході гідролізу АТФ виділяється енергія, необхідна різних процесів життєдіяльності («розрядка»), а процесі фосфорилування («зарядка») АТФ знову акумулює у собі енергію.

За рахунок енергії, що виділяється при гідролізі АТФ, відбуваються майже всі процеси життєдіяльності в клітині та організмі: передача нервових імпульсів, біосинтез речовин, м'язові скорочення, транспорт речовин та ін.

ІІІ. Закріплення знань

Вирішення біологічних завдань

Завдання 1. При швидкому бігу ми часто дихаємо, відбувається посилене потовиділення. Поясніть ці явища.

Завдання 2. Чому на морозі люди, що замерзають, починають притупувати і підстрибувати?

Завдання 3. У відомому творі І.Ільфа та Є.Петрова «Дванадцять стільців» серед багатьох корисних порадможна знайти і такий: «Дихайте глибше, ви схвильовані». Спробуйте обґрунтувати цю пораду з погляду енергетичних процесів, що відбуваються в організмі.

IV. Домашнє завдання

Розпочати підготовку до заліку та контрольної роботи (продиктувати питання заліку – див. урок 21).

Урок 20. Узагальнення знань у розділі «Хімічна організація життя»

Обладнання:таблиці із загальної біології.

I. Узагальнення знань розділу

Робота учнів з питаннями (індивідуально) з наступними перевіркою та обговоренням

1. Наведіть приклади органічних сполук, до складу яких входять вуглець, сірка, фосфор, азот, залізо, марганець.

2. Як за іонним складом можна відрізнити живу клітину від мертвої?

3. Які речовини знаходяться у клітині у нерозчиненому вигляді? У які органи та тканини вони входять?

4. Наведіть приклади макроелементів, що входять до активних центрів ферментів.

5. Які гормони містять мікроелементи?

6. Яка роль галогенів в організмі людини?

7. Чим білки відрізняються від штучних полімерів?

8. Чим відрізняються пептиди від білків?

9. Як називається білок, що входить до складу гемоглобіну? З яких субодиниць він складається?

10. Що таке рибонуклеазу? Скільки амінокислот входить до її складу? Коли її синтезували штучно?

11. Чому швидкість хімічних реакцій без ферментів мала?

12. Які речовини транспортуються білками через клітинну мембрану?

13. Чим відрізняються антитіла від антигенів? Чи містять вакцини антитіла?

14. На які речовини розпадаються білки в організмі? Скільки енергії виділяється у своїй? Де і як знешкоджується аміак?

15. Наведіть приклад пептидних гормонів: як вони беруть участь у регуляції клітинного метаболізму?

16. Якою є структура цукру, з яким ми п'ємо чай? Які ще три синоніми цієї речовини ви знаєте?

17. Чому жир у молоці не збирається на поверхні, а знаходиться у вигляді суспензії?

18. Яка маса ДНК в ядрі соматичної та статевої клітин?

19. Яка кількість АТФ використовується людиною на добу?

20. З яких білків люди виготовляють одяг?

Первинна структура панкреатичної рибонуклеази (124 амінокислоти)

ІІ. Домашнє завдання.

Продовжити підготовку до заліку та контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».

Урок 21. Заліковий урок у розділі «Хімічна організація життя»

I. Проведення усного заліку з питань

1. Елементарний склад клітини.

2. Характеристика органогенних елементів.

3. Структура молекули води. Водневий зв'язок та його значення в «хімії» життя.

4. Властивості та біологічні функції води.

5. Гідрофільні та гідрофобні речовини.

6. Катіони та його біологічне значення.

7. Аніони та їх біологічне значення.

8. Полімери. Біологічні полімери Відмінності періодичних та неперіодичних полімерів.

9. Властивості ліпідів, їх біологічні функції.

10. Групи вуглеводів, що виділяються за особливостями будови.

11. Біологічні функції вуглеводів.

12. Елементарний склад білків. амінокислоти. Утворення пептидів.

13. Первинна, вторинна, третинна та четвертинна структури білків.

14. Біологічна функція білків.

15. Відмінність ферментів від небіологічних каталізаторів.

16. Будова ферментів. Коферменти.

17. Механізм впливу ферментів.

18. Нуклеїнові кислоти. Нуклеотиди та їх будова. Освіта полінуклеотидів.

19. Правила Е. Чаргаффа. Принцип комплементарності

20. Освіта дволанцюжкової молекули ДНК та її спіралізація.

21. Класи клітинної РНК та його функції.

22. Відмінності ДНК та РНК.

23. Реплікація ДНК. Транскрипція.

24. Будова та біологічна роль АТФ.

25. Утворення АТФ у клітині.

ІІ. Домашнє завдання

Продовжити підготовку до контрольної роботи у розділі «Хімічна організація життя».

Урок 22. Контрольний урок у розділі «Хімічна організація життя»

I. Проведення письмової контрольної роботи

Варіант 1

1. Є три види амінокислот - А, В, С. Скільки варіантів поліпептидних ланцюгів, що складаються з п'яти амінокислот, можна побудувати. Укажіть ці варіанти. Чи будуть ці поліпептиди мати однакові властивості? Чому?

2. Все живе переважно складається з сполук вуглецю, а аналог вуглецю – кремній, вміст якого у земної корі в 300 разів більше, ніж вуглецю, зустрічається лише у небагатьох організмах. Поясніть цей факт з погляду будови та властивостей атомів цих елементів.

3. В одну клітину ввели молекули АТФ, мічені радіоактивним 32Р за останнім, третім залишком фосфорної кислоти, а в іншу – молекули АТФ, мічені 32Р по першому, найближчому до рибозу залишку. Через 5 хвилин в обох клітинах поміряли вміст неорганічного фосфат-іону, міченого 32Р. Де воно виявиться значно вищим?

4. Дослідження показали, що 34% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 18% – на урацил, 28% – на цитозин і 20% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.

Варіант 2

1. Жири складають «перший резерв» в енергетичному обміні та використовуються, коли вичерпано резерв вуглеводів. Однак у скелетних м'язах за наявності глюкози та жирних кислот більшою мірою використовуються останні. Білки ж як джерело енергії завжди використовуються лише в крайньому випадку, при голодуванні організму. Поясніть ці факти.

2. Іони важких металів (ртуті, свинцю та ін.) та миш'яку легко зв'язуються сульфідними угрупованнями білків. Знаючи властивості сульфідів цих металів поясніть, що станеться з білком при з'єднанні з цими металами. Чому важкі метали є отрутою для організму?

3. У реакції окислення речовини А речовина В звільняється 60 кДж енергії. Скільки молекул АТФ може бути максимально синтезовано у цій реакції? Як буде витрачено решту енергії?

4. Дослідження показали, що 27% загальної кількості нуклеотидів даної іРНК посідає гуанін, 15% – на урацил, 18% – на цитозин і 40% – на аденін. Визначте відсотковий склад азотистих основ дволанцюгової ДНК, зліпком з якої є вказана іРНК.

Далі буде

До нуклеїновим кислотамвідносять високополімерні сполуки, що розпадаються при гідролізі на пуринові та піримідинові основи, пентозу та фосфорну кислоту. Нуклеїнові кислоти містять вуглець, водень, фосфор, кисень та азот. Розрізняють два класи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнові кислоти (РНК)і дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК).

Будова та функції ДНК

ДНК- Полімер, мономерами якої є дезоксирибонуклеотиди. Модель просторової будови молекули ДНК у вигляді подвійної спіралі була запропонована в 1953 р. Дж. Вотсоном і Ф. Криком (для побудови цієї моделі вони використовували роботи М. Вілкінса, Р. Франклін, Е. Чаргаффа).

Молекула ДНКутворена двома полинуклеотидными ланцюгами, спірально закрученими друг біля одного разом навколо уявної осі, тобто. являє собою подвійну спіраль (виняток - деякі ДНК-віруси мають одноланцюгову ДНК). Діаметр подвійної спіралі ДНК – 2 нм, відстань між сусідніми нуклеотидами – 0,34 нм, на один оберт спіралі припадає 10 пар нуклеотидів. Довжина молекули може досягати кількох сантиметрів. Молекулярна вага — десятки та сотні мільйонів. Сумарна довжина ДНК ядра клітини людини – близько 2 м. В еукаріотичних клітинах ДНК утворює комплекси з білками та має специфічну просторову конформацію.

Мономер ДНК – нуклеотид (дезоксирибонуклеотид)— складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) та 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи нуклеїнових кислот відносяться до класів піримідинів та пуринів. Піримидинові основи ДНК(мають у складі своєї молекули одне кільце) - тімін, цитозин. Пуринові основи(мають два кільця) - аденін та гуанін.

Моносахарид нуклеотиду ДНК представлений дезоксирибозою.

Назва нуклеотиду є похідною від назви відповідної основи. Нуклеотиди та азотисті основи позначаються великими літерами.

Азотиста основа	Назва нуклеотиду	Позначення
Аденін	Аденіловий	А (A)
Гуанін	Гуаніловий	Г(G)
Тімін	Тіміділовий	Т(T)
Цитозин	Цитиділовий	Ц (C)

Полінуклеотидний ланцюг утворюється в результаті реакцій конденсації нуклеотидів. При цьому між 3"-вуглецем залишку дезоксирибози одного нуклеотиду та залишком фосфорної кислоти іншого виникає фосфоефірний зв'язок(належить до категорії міцних ковалентних зв'язків). Один кінець полінуклеотидного ланцюга закінчується 5"-вуглецем (його називають 5"-кінцем), інший - 3"-вуглецем (3"-кінцем).

Проти одного ланцюга нуклеотидів розташовується другий ланцюг. Розташування нуклеотидів у цих двох ланцюгах не випадкове, а суворо визначене: проти аденіну одного ланцюга в іншому ланцюгу завжди розташовується тімін, а проти гуаніну - завжди цитозин, між аденіном і тиміном виникають два водневі зв'язки, між гуаніном і цитозином - три водневі зв'язки. Закономірність, згідно з якою нуклеотиди різних ланцюгів ДНК строго впорядковано розташовуються (аденін - тимін, гуанін - цитозин) і вибірково поєднуються один з одним, називається принципом комплементарності. Слід зазначити, що Дж. Вотсон та Ф. Крик дійшли розуміння принципу комплементарності після ознайомлення з роботами Е. Чаргаффа. Е. Чаргафф, вивчивши величезну кількість зразків тканин та органів різних організмів, Встановив, що в будь-якому фрагменті ДНК вміст залишків гуаніну завжди точно відповідає вмісту цитозину, а аденіну - тиміну ( «правило Чаргафа»), але пояснити цей факт він не зміг.

З принципу комплементарності випливає, що послідовність нуклеотидів одного ланцюга визначає послідовність нуклеотидів іншого.

Ланцюги ДНК антипаралельні (різноспрямовані), тобто. нуклеотиди різних ланцюгів розташовуються в протилежних напрямках, і, отже, навпроти 3"-кінця одного ланцюга знаходиться 5"-кінець іншого. Молекулу ДНК іноді порівнюють із гвинтовими сходами. «Перила» цих сходів — сахарофосфатний кістяк (залишки дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються); "Східці" - комплементарні азотисті основи.

Функція ДНК- Зберігання та передача спадкової інформації.

Реплікація (редуплікація) ДНК

- Процес самоподвоєння, головна властивість молекули ДНК. Реплікація відноситься до категорії реакцій матричного синтезу, що йде за участю ферментів. Під дією ферментів молекула ДНК розкручується, і біля кожного ланцюга, що виступає в ролі матриці, за принципами комплементарності та антипаралельності добудовується новий ланцюг. Таким чином, у кожній дочірній ДНК один ланцюг є материнським, а другий — знову синтезованим. Такий спосіб синтезу називається напівконсервативним.

«Будівельним матеріалом» та джерелом енергії для реплікації є дезоксирибонуклеозидтрифосфати(АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ), що містять три залишки фосфорної кислоти. При включенні дезоксирибонуклеозидтрифосфатів у полінуклеотидний ланцюг два кінцеві залишки фосфорної кислоти відщеплюються, і енергія, що звільнилася, використовується на утворення фосфодіефірного зв'язку між нуклеотидами.

У реплікації беруть участь такі ферменти:

гелікази («розплітають» ДНК);
дестабілізуючі білки;
ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК);
ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфати та комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК);
РНК-праймази (утворюють РНК-затравки, праймери);
ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).

За допомогою геліказу в певних ділянках ДНК розплітається, одноланцюгові ділянки ДНК зв'язуються дестабілізуючими білками, утворюється реплікаційна вилка. При розбіжності 10 пар нуклеотидів (один виток спіралі) молекула ДНК повинна здійснити повний оберт навколо осі. Щоб запобігти цьому обертанню ДНК-топоізомераза розрізає один ланцюг ДНК, що дає можливість обертатися навколо другого ланцюга.

ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3"-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися матричною ДНК тільки в одному напрямку: від 3"-кінця до 5"-кінця цієї матричної ДНК. , то на її різних ланцюгах збірка дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках. лідируючою. На ланцюгу 5"-3" - уривчасто, фрагментами ( фрагменти Козаки), які після завершення реплікації ДНК-лігазами зшиваються в один ланцюг; цей дочірній ланцюг називатиметься запізнювальною (відстаючої).

Особливістю ДНК-полімерази є те, що вона може починати свою роботу тільки з «затравки» (праймера). Роль «затравок» виконують короткі послідовності РНК, що утворюються за участю ферменту РНК-праймази та спарені з матричною ДНК. РНК-затравки після закінчення збирання полінуклеотидних ланцюжків видаляються.

Реплікація протікає подібно до прокаріотів та еукаріотів. Швидкість синтезу ДНК у прокаріотів на порядок вища (1000 нуклеотидів за секунду), ніж у еукаріотів (100 нуклеотидів за секунду). Реплікація починається одночасно у кількох ділянках молекули ДНК. Фрагмент ДНК від однієї точки початку реплікації до іншої утворює одиницю реплікації. реплікон.

Реплікація відбувається перед поділом клітини. Завдяки цій здатності ДНК здійснюється передача спадкової інформації від материнської клітини дочірнім.

Репарація («ремонт»)

Репарацієюназивається процес усунення пошкоджень нуклеотидної послідовності ДНК. Здійснюється спеціальними ферментними системами клітини ( ферменти репарації). У процесі відновлення структури ДНК можна виділити такі етапи: 1) ДНК-репарують нуклеази розпізнають і видаляють пошкоджену ділянку, в результаті чого в ланцюзі ДНК утворюється пролом; 2) ДНК-полімераза заповнює цей пролом, копіюючи інформацію з другого («хорошого») ланцюга; 3) ДНК-лігаза "зшиває" нуклеотиди, завершуючи репарацію.

Найбільш вивчено три механізми репарації: 1) фоторепарація, 2) ексцизна, або дореплікативна, репарація, 3) постреплікативна репарація.

Зміни структури ДНК відбуваються у клітині постійно під дією реакційно-здатних метаболітів, ультрафіолетового випромінювання, важких металів та їх солей та ін. Тому дефекти систем репарації підвищують швидкість мутаційних процесів, є причиною спадкових захворювань (пігментна ксеродерма, прогерія та ін.).

Будова та функції РНК

- полімер, мономерами якої є рибонуклеотиди. На відміну від ДНК, РНК утворена не двома, а одним полінуклеотидним ланцюжком (виняток - деякі РНК-віруси мають дволанцюжкову РНК). Нуклеотиди РНК здатні утворювати водневі зв'язки між собою. Ланцюги РНК значно коротші за ланцюги ДНК.

Мономер РНК - нуклеотид (рибонуклеотид)— складається із залишків трьох речовин: 1) азотистої основи, 2) п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) та 3) фосфорної кислоти. Азотисті основи РНК також відносяться до класів піримідинів та пуринів.

Піримидинові основи РНК – урацил, цитозин, пуринові основи – аденін та гуанін. Моносахарид нуклеотиду РНК представлений рибозою.

Виділяють три види РНК: 1) інформаційна(Матрична) РНК - іРНК (мРНК), 2) транспортнаРНК - тРНК, 3) рибосомнаРНК - рРНК.

Усі види РНК є нерозгалуженими полінуклеотидами, мають специфічну просторову конформацію і беруть участь у процесах синтезу білка. Інформація про будову всіх видів РНК зберігається у ДНК. Процес синтезу РНК на матриці ДНК називається транскрипцією.

Транспортні РНКмістять зазвичай 76 (від 75 до 95) нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального змістуРНК у клітині. Функції тРНК: 1) транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом, 2) трансляційний посередник. У клітині зустрічається близько 40 видів тРНК, кожен із них має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформації, що нагадує формою лист конюшини. Будь-яка тРНК має петлю для контакту з рибосомою (1), антикодонову петлю (2), петлю для контакту з ферментом (3), акцепторне стебло (4), антикодон (5). Амінокислота приєднується до 3"-кінця акцепторного стебла. Антикодон- Три нуклеотиди, що «пізнають» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати певну амінокислоту, відповідну її антикодону. Специфічність сполуки амінокислоти та тРНК досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетазу.

Рибосомні РНКмістять 3000-5000 нуклеотидів; молекулярна маса - 1000000-1500000. На частку рРНК припадає 80-85% від загального вмісту РНК в клітині. У комплексі з рибосомними білками рРНК утворює рибосоми – органоїди, які здійснюють синтез білка. В еукаріотичних клітин синтез рРНК відбувається в ядерцях. Функції рРНК: 1) необхідний структурний компонент рибосом та, таким чином, забезпечення функціонування рибосом; 2) забезпечення взаємодії рибосоми та тРНК; 3) початкове зв'язування рибосоми та кодону-ініціатора іРНК та визначення рамки зчитування; 4) формування активного центру рибосоми.

Інформаційні РНКрізноманітні за вмістом нуклеотидів та молекулярної маси (від 50 000 до 4 000 000). Перед іРНК припадає до 5% від загального вмісту РНК у клітині. Функції іРНК: 1) перенесення генетичної інформації від ДНК до рибосом; 2) матриця для синтезу молекули білка; 3) визначення амінокислотної послідовності первинної структури білкової молекули.

Будова та функції АТФ

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)- Універсальне джерело і основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. Кількість АТФ у середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2–0,5%) міститься у скелетних м'язах.

АТФ складається з залишків: 1) азотистої основи (аденіну); 2) моносахариду (рибози); 3) трьох фосфорних кислот. Оскільки АТФ містить не один, а три залишки фосфорної кислоти, вона відноситься до рибонуклеозидтрифосфатів.

Більшість видів робіт, які у клітинах, використовується енергія гідролізу АТФ. При цьому при відщепленні кінцевого залишку фосфорної кислоти АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфорну кислоту), при відщепленні другого залишку фосфорної кислоти — в АМФ (аденозинмонофосфорну кислоту). Вихід вільної енергії при відщепленні як кінцевого, і другого залишків фосфорної кислоти становить по 30,6 кДж. Відщеплення третьої фосфатної групи супроводжується виділенням лише 13,8 кДж. Зв'язки між кінцевим та другим, другим та першим залишками фосфорної кислоти називаються макроергічними (високоенергетичними).

Запаси АТФ постійно поповнюються. У клітинах всіх організмів синтез АТФ відбувається у процесі фосфорилювання, тобто. приєднання фосфорної кислоти до АДФ Фосфорилювання відбувається з різною інтенсивністю при диханні (мітохондрії), гліколізі (цитоплазма), фотосинтезі (хлоропласти).

АТФ є основною сполучною ланкою між процесами, що супроводжуються виділенням і накопиченням енергії, і процесами, що протікають із витратами енергії. Крім цього, АТФ поряд з іншими рибонуклеозидтрифосфатами (ГТФ, ЦТФ, УТФ) є субстратом для синтезу РНК.

Все живе на планеті складається з безлічі клітин, що підтримують упорядкованість своєї організації за рахунок генетичної інформації, що міститься в ядрі. Вона зберігається, реалізується і передається складними високомолекулярними сполуками – нуклеїновими кислотами, що складаються з мономерних ланок – нуклеотидів. Роль нуклеїнових кислот неможливо переоцінити. Стабільністю їх структури визначається нормальна життєдіяльність організму, а будь-які відхилення у будові неминуче призводять до зміни клітинної організації, активності фізіологічних процесів та життєздатності клітин у цілому.

Поняття нуклеотиду та його властивості

Кожна або РНК зібрана з дрібніших мономерних сполук - нуклеотидів. Іншими словами, нуклеотид – це будівельний матеріалдля нуклеїнових кислот, коферментів та багатьох інших біологічних сполук, які конче необхідні клітині в процесі її життєдіяльності.

До основних властивостей цих незамінних речовин можна віднести:

Зберігання інформації про та успадковані ознаки;
. здійснення контролю за зростанням та репродукцією;
. участь у метаболізмі та багатьох інших фізіологічних процесах, що протікають у клітині.

Говорячи про нуклеотиди, не можна не зупинитися на такому важливому питанні, як їх структура та склад.

Кожен нуклеотид складається з:

Цукрового залишку;
. азотистої основи;
. фосфатної групи або залишку фосфорної кислоти.

Можна сказати, що нуклеотид - це складна органічна сполука. Залежно від видового складу азотистих основ та типу пентози у структурі нуклеотиду нуклеїнові кислоти поділяються на:

Дезоксирибонуклеїнову кислоту, або ДНК;
. рибонуклеїнову кислоту, або РНК.

Склад нуклеїнових кислот

У нуклеїнових кислотах цукор представлений пентозою. Це п'ятивуглецевий цукор, у ДНК його називають дезоксирибозою, у РНК – рибозою. Кожна молекула пентози має п'ять атомів вуглецю, чотири їх разом з атомом кисню утворюють п'ятичленное кільце, а п'ятий входить у групу НО-СН2.

Положення кожного атома вуглецю в молекулі пентози позначається арабською цифрою зі штрихом (1C', 2C', 3C', 4C', 5C'). Оскільки всі процеси зчитування з молекули нуклеїнової кислоти мають строгу спрямованість, нумерація атомів вуглецю та їх розташування в кільці є свого роду покажчиком правильного напрямку.

За гідроксильною групою до третього і п'ятого вуглецевих атомів (3С і 5С) приєднаний залишок фосфорної кислоти. Він визначає хімічну приналежність ДНК і РНК до групи кислот.

До першого вуглецевого атома (1С') у молекулі цукру приєднано азотисту основу.

Видовий склад азотистих основ

Нуклеотиди ДНК з азотистої основи представлені чотирма видами:

Аденіном (А);
. гуаніном (Г);
. цитозином (Ц);
. тиміном (Т).

Перші два відносяться до класу пуринів, два останні – піримідинів. За молекулярною масою пуринові завжди важчі за піримідинові.

Нуклеотиди РНК з азотистої основи представлені:

Аденіном (А);
. гуаніном (Г);
. цитозином (Ц);
. урацилом (У).

Урацил, як і тимін, є піримідиновою основою.

У науковій літературі нерідко можна зустріти й інше позначення азотистих основ – латинськими літерами (A, T, C, G, U).

Докладніше зупинимося на хімічній структурі пуринів та піримідинів.

Піримидини, а саме цитозин, тімін і урацил, у своєму складі представлені двома атомами азоту та чотирма атомами вуглецю, що утворюють шестичленне кільце. Кожен атом має власний номер від 1 до 6.

Пурини (аденін та гуанін) складаються з піримідину та імідазолу або двох гетероциклів. Молекула пуринових основ представлена чотирма атомами азоту та п'ятьма атомами вуглецю. Кожен атом пронумеровано від 1 до 9.

В результаті сполуки азотистої основи та залишку пентози утворюється нуклеозид. Нуклеотид - це з'єднання нуклеозиду та фосфатної групи.

Утворення фосфодіефірних зв'язків

Важливо розібратися у питанні про те, як з'єднуються нуклеотиди в поліпептидний ланцюг та утворюють молекулу нуклеїнової кислоти. Відбувається це за рахунок так званих фосфодіефірних зв'язків.

Взаємодія двох нуклеотидів дає динуклеотид. Утворення нової сполуки відбувається шляхом конденсації, коли між фосфатним залишком одного мономеру та гідроксигрупою пентози іншого виникає фосфодіефірний зв'язок.

Синтез полінуклеотиду – неодноразове повторення цієї реакції (кілька мільйонів разів). Полінуклеотидний ланцюг будується за допомогою утворення фосфодіефірних зв'язків між третім і п'ятим вуглецями цукрів (3С і 5С).

Складання полінуклеотиду - складний процес, що протікає за участю ферменту ДНК-полімерази, що забезпечує зростання ланцюга тільки з одного кінця (3') з вільною гідроксигрупою.

Структура молекули ДНК

Молекула ДНК, як і білка, може мати первинну, вторинну і третинну структуру.

Послідовність нуклеотидів у ланцюзі ДНК визначає її первинну формується за рахунок водневих зв'язків, в основі виникнення яких покладено принцип комплементарності. Іншими словами, при синтезі подвійний діє певна закономірність: аденін одного ланцюга відповідає тиміну інший, гуанін - цитозину, і навпаки. Пари аденіну і тиміну або гуаніну та цитозину утворюються за рахунок двох у першому та трьох в останньому випадку водневих зв'язків. Таке з'єднання нуклеотидів забезпечує міцний зв'язок ланцюгів та рівну відстань між ними.

Знаючи послідовність нуклеотидів одного ланцюга ДНК, за принципом комплементарності чи доповнення можна добудувати другу.

Третинна структура ДНК утворена за рахунок складних тривимірних зв'язків, що робить її молекулу компактнішою і здатною розміщуватися в малому обсязі клітини. Так, наприклад, довжина ДНК кишкової палички становить понад 1 мм, тоді як довжина клітини – менше 5 мкм.

Число нуклеотидів в ДНК, а саме їх кількісне співвідношення, підпорядковується правилу Чергаффа (кількість пуринових основ завжди дорівнює кількості піримідинових). Відстань між нуклеотидами - величина постійна, що дорівнює 0,34 нм, як і їхня молекулярна маса.

Структура молекули РНК

РНК представлена одним полінуклеотидним ланцюжком, утвореним через між пентозою (в даному випадку рибозою) та фосфатним залишком. По довжині вона значно коротша за ДНК. За видовим складом азотистих основ у нуклеотиді також є відмінності. У РНК замість піримідинової основи тиміну використовується урацил. Залежно від функцій, які виконуються в організмі, РНК може бути трьох типів.

Рибосомальна (рРНК) містить зазвичай від 3000 до 5000 нуклеотидів. Як необхідний структурний компонент бере участь у формуванні активного центру рибосом, місця здійснення одного з найважливіших процесів у клітині – біосинтезу білка.
. Транспортна (тРНК) – складається в середньому з 75 – 95 нуклеотидів, здійснює перенесення потрібної амінокислоти до місця синтезу поліпептиду у рибосомі. Кожен вид тРНК (щонайменше 40) має власну, властиву лише йому послідовність мономерів чи нуклеотидів.
. Інформаційна (іРНК) - за нуклеотидним складом дуже різноманітна. Переносить генетичну інформацію від ДНК до рибосом, виступає в ролі матриці для синтезу білкової молекули.

Роль нуклеотидів в організмі

Нуклеотиди в клітині виконують низку найважливіших функцій:

Використовуються як структурні блоки для нуклеїнових кислот (нуклеотиди пуринового та піримідинового рядів);
. беруть участь у багатьох обмінних процесах у клітині;
. входять до складу АТФ – головного джерела енергії у клітинах;
. виступають у ролі переносників відновлювальних еквівалентів у клітинах (НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН);
. виконують функцію біорегуляторів;
. можуть розглядатися як другі вісники регулярного позаклітинного синтезу (наприклад, цАМФ або цГМФ).

Нуклеотид - це мономерна одиниця, що утворює складніші сполуки - нуклеїнові кислоти, без яких неможлива передача генетичної інформації, її зберігання та відтворення. Вільні нуклеотиди є головними компонентами, що беруть участь у сигнальних та енергетичних процесах, що підтримують нормальну життєдіяльність клітин та організму загалом.

Згадайте, що таке мономер та полімер. Які речовини є мономерами білків? Чим білки як полімери відрізняються від крохмалю?

Нуклеїнові кислоти посідають особливе місце серед органічних речовин клітини. Вони вперше були виділені з ядер клітин, за що й одержали свою назву (від лат. Нуклеус - ядро). Згодом нуклеїнові кислоти були виявлені в цитоплазмі та деяких інших органоїдах клітини. Але первісна назва за ними збереглася.

Нуклеїнові кислоти, як і білки, є полімерами, але їх мономери нуклеотиди мають складнішу будову. Число нуклеотидів у ланцюзі може досягати 30000. Нуклеїнові кислоти – найбільш високомолекулярні органічні речовини клітини.

Рис. 24. Будова та види нуклеотидів

У клітинах зустрічаються два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК). Вони відрізняються нуклеотидним складом, будовою полінуклеотидного ланцюга, молекулярною масою та виконуваними функціями.

Рис. 25. Полінуклеотидний ланцюг

Склад та будова ДНК.До складу нуклеотидів молекули ДНК входять фосфорна кислота, вуглевод дезоксирибозу (з чим пов'язана назва ДНК) та азотисті основи - аденін (А), тімін (Т), гуанін (Г), цитозин (Ц) (рис. 24, 25).

Ці підстави попарно відповідають одна одній за будовою (А = Т, Г = Ц) і легко з'єднуватися з допомогою водневих зв'язків. Такі парні основи називають комплементарними (від латів. комплементум – доповнення).

Англійські вчені Джеймс Вотсон і Френк Крик в 1953 р. встановили, що молекула ДНК складається з двох спірально закручених ланцюгів. Остів ланцюга утворений залишками фосфорної кислоти та дезоксирибози, а азотисті основи спрямовані всередину спіралі (рис. 26, 27). Два ланцюги з'єднуються один з одним завдяки водневим зв'язкам між комплементарними основами.

Рис. 26. Схема молекули ДНК

У клітинах молекули ДНК перебувають у ядрі. Вони утворюють нитки хроматину, а перед поділом клітини спіралізуються, з'єднуються з білками і перетворюються на хромосоми. Крім того, специфічні ДНК є в мітохондріях та хлоропластах.

ДНК у клітині відповідають за зберігання та передачу спадкової інформації. У ній закодовано інформацію про структуру всіх білків організму. Число молекул ДНК є генетичною ознакою окремого виду організму, а нуклеотидна послідовність специфічна для кожного індивіда.

Будова та види РНК.До складу молекули РНК входять фосфорна кислота, вуглевод – рибоза (звідси назва рибонуклеїнова кислота), азотисті основи: аденін (А), урацил (У), гуанін (Г), цитозин (Ц). Замість тиміну тут зустрічається урацил, який комплементарний аденіну (А = У). Молекули РНК, на відміну від ДНК, складаються з одного полінуклеотидного ланцюга (рис. 25), який може мати прямі та спіральні ділянки, утворювати за допомогою водневих зв'язків петлі між комплементарними основами. Молекулярна маса РНК значно нижча, ніж ДНК.

У клітинах молекули РНК знаходяться в ядрі, цитоплазмі, хлоропластах, мітохондріях та рибосомах. Розрізняють три види РНК, які мають різні молекулярну масу, форму молекул та виконують різні функції.

Інформаційні РНК (іРНК) переносять інформацію про структуру білка від ДНК до його синтезу на рибосомах. Кожна молекула іРНК містить повну інформацію, необхідну синтезу однієї молекули білка. З усіх видів РНК найбільші іРНК.

Рис. 27. Подвійна спіраль молекули ДНК (об'ємна модель)

Транспортні РНК (тРНК) – найкоротші молекули. Їх структура нагадує формою конюшинний лист (рис. 62). Вони транспортують амінокислоти до місця синтезу білка на рибосоми.

Рибосомальні РНК (рРНК) становлять понад 80% усієї маси РНК у клітині і разом із білками входять до складу рибосом.

АТФ.Крім полінуклеотидних ланцюгів у клітині знаходяться мононуклеотиди, що мають той самий склад і будову, що і нуклеотиди, що входять до складу ДНК та РНК. Найбільш важливим із них є АТФ - аденозинтрифосфат.

Молекула АТФ складається з рибози, аденіну та трьох залишків фосфорної кислоти, між якими є два високоенергетичні зв'язки (рис. 28). Енергія кожної їх становить 30,6 кДж/моль. Тому її і називають макроергічною на відміну від простого зв'язку, енергія якої становить близько 13 кДж/моль. При відщепленні від молекули АТФ одного або двох залишків фосфорної кислоти утворюється відповідно молекула АДФ (адено-зіндифосфат) або АМФ (аденозинмонофосфат). При цьому виділяється енергії вдвічі більше, ніж при розщепленні інших органічних речовин.

Рис. 28. Будова молекули аленозинтрифосфату (АТФ) та її роль у перетворенні енергії

АТФ є ключовою речовиною обмінних процесів у клітині та універсальним джерелом енергії. Синтез молекул АТФ відбувається у мітохондріях, хлоропластах. Енергія запасається внаслідок реакцій окислення органічних речовин та акумуляції сонячної енергії. Клітина використовує цю запасну енергію у всіх процесах життєдіяльності.

Вправи з пройденого матеріалу

Що мономером нуклеїнових кислот? З яких компонентів він складається?
Чим нуклеїнові кислоти, як полімери, відрізняються від білків?
Що таке комплементування? Назвіть компле ментарні основи. Які зв'язки утворюються з-поміж них?
Яку роль живих тілах природи грають молекули РНК?
Функцію АТФ у клітині іноді порівнюють з акумулятором чи батарейкою. Поясніть сенс такого порівняння.

Будова та функції ДНК

Моносахарид нуклеотиду ДНК представлений дезоксирибозою.

Проти одного ланцюга нуклеотидів розташовується другий ланцюг. Розташування нуклеотидів у цих двох ланцюгах не випадкове, а суворо визначене: проти аденіну одного ланцюга в іншому ланцюгу завжди розташовується тімін, а проти гуаніну - завжди цитозин, між аденіном і тиміном виникають два водневі зв'язки, між гуаніном і цитозином - три водневі зв'язки. Закономірність, згідно з якою нуклеотиди різних ланцюгів ДНК строго впорядковано розташовуються (аденін - тимін, гуанін - цитозин) і вибірково поєднуються один з одним, називається принципом комплементарності. Слід зазначити, що Дж. Вотсон та Ф. Крик дійшли розуміння принципу комплементарності після ознайомлення з роботами Е. Чаргаффа. Е. Чаргафф, вивчивши величезну кількість зразків тканин та органів різних організмів, встановив, що в будь-якому фрагменті ДНК вміст залишків гуаніну завжди точно відповідає вмісту цитозину, а аденіну - тиміну ( «правило Чаргафа»), але пояснити цей факт він не зміг.

Функція ДНК- Зберігання та передача спадкової інформації.

Реплікація (редуплікація) ДНК

У реплікації беруть участь такі ферменти:

гелікази («розплітають» ДНК);
дестабілізуючі білки;
ДНК-топоізомерази (розрізають ДНК);
ДНК-полімерази (підбирають дезоксирибонуклеозидтрифосфати та комплементарно приєднують їх до матричного ланцюга ДНК);
РНК-праймази (утворюють РНК-затравки, праймери);
ДНК-лігази (зшивають фрагменти ДНК).

ДНК-полімераза може приєднувати нуклеотид тільки до 3"-вуглецю дезоксирибози попереднього нуклеотиду, тому даний фермент здатний пересуватися матричною ДНК тільки в одному напрямку: від 3"-кінця до 5"-кінця цієї матричної ДНК. , то на її різних ланцюгах складання дочірніх полінуклеотидних ланцюгів відбувається по-різному і в протилежних напрямках. лідируючою. На ланцюгу 5"-3" - уривчасто, фрагментами ( фрагменти Козаки), які після завершення реплікації ДНК-лігазами зшиваються в один ланцюг; цей дочірній ланцюг називатиметься запізнювальною (відстаючої).

Репарація («ремонт»)

Будова та функції РНК

Транспортні РНКмістять зазвичай 76 (від 75 до 95) нуклеотидів; молекулярна маса - 25 000-30 000. На частку тРНК припадає близько 10% від загального вмісту РНК у клітині. Функції тРНК: 1) транспорт амінокислот до місця синтезу білка, до рибосом, 2) трансляційний посередник. У клітині зустрічається близько 40 видів тРНК, кожен із них має характерну лише йому послідовність нуклеотидів. Однак у всіх тРНК є кілька внутрішньомолекулярних комплементарних ділянок, через які тРНК набувають конформації, що нагадує формою лист конюшини. Будь-яка тРНК має петлю для контакту з рибосомою (1), антикодонову петлю (2), петлю для контакту з ферментом (3), акцепторне стебло (4), антикодон (5). Амінокислота приєднується до 3"-кінця акцепторного стебла. Антикодон- Три нуклеотиди, що «пізнають» кодон іРНК. Слід підкреслити, що конкретна тРНК може транспортувати певну амінокислоту, відповідну її антикодону. Специфічність сполуки амінокислоти та тРНК досягається завдяки властивостям ферменту аміноацил-тРНК-синтетазу.

Будова та функції АТФ

Аденозинтрифосфорна кислота (АТФ)- Універсальне джерело і основний акумулятор енергії в живих клітинах. АТФ міститься у всіх клітинах рослин та тварин. Кількість АТФ у середньому становить 0,04% (від сирої маси клітини), найбільша кількість АТФ (0,2-0,5%) міститься у скелетних м'язах.

Перейти до лекції №3«Будова та функції білків. Ферменти»

Перейти до лекції №5«Клітинна теорія. Типи клітинної організації»

Схожі статті

Обговорюють:

Бонус-код багаторазовий у World of Tanks:Оновлено (25-10-2019, 20:46): T2 Light Tank Кожному гравцю у World of...
Рейтинг бронесайту як вважається:У багатьох гравців, хто не вникає в різну статистику свого облікового запису,...
Як використовувати баг на вічний засвіт ворога «Лінія фронту» World of Tanks:Вміння правильно танкувати на своєму танку безумовно дуже важливе і корисне.
Найкращий гравець у World of Tanks Найкращий статист у world of tanks:У грі World of Tanks найбільший вплив має стата гравців World of...