Нуклеїнові кислоти.

Ці біополімери, як і білки, відіграють в клітині одну з головних ролей. В нуклеїнових кислотах міститься вся спадкова інформація організмів або генетичний матеріал. Відкриття у 1953 році структури та функцій ДНК – однієї з нуклеїновиїх кислот – дало початок новій епосі в біології – молекулярній біології. Честь цього відкриття належить двом вченим – американському вченому Джеймсу Уотсону та англійцю Френсісу Кріку. У 1962 році вони були нагороджені Нобелівською премією.

В клітині присутні дві нуклеїнові кислоти – дезоксирибонуклеїнова – скорочено ДНК та рибонуклеїнова кислота – скорочено РНК. Мономерами цих килот є нуклеотиди. Їх будова майже однакова. Всі вони складаються з трьох компонентів: азотистої основи, цукру (дезоксирибози або рибози) та залишку фосфорної кислоти (рис.23).

Рис. 23. Складові нуклеотидів: азотисті основи (аденін, гуанін, тимін, цитозин, урацил); цукор пентоза (дезоксирибоза та рибоза); залишок фосфорної кислоти з двома негативними зарядами. Азотисті основи цитозин, тимин, урацил складаються з одного кільця і носять назву пиримідинові основи, а аденін та гуанін складаються з двох кілець – це пуринові основи.

В молекулярній біології прийнято скорочені назви нуклеотидів за їх першими буквами. Відповідно – А, Г, Т, Ц, У – за українським алфавітом і А, G, T, C, U – за латинським.

При зборці нуклеотиду до азотистої основи приєднуються пентоза, утворюючи зв’язок між азотом азотистої основи та вуглецем пентози. З іншого боку до пентози приєднується залишок фосфорної кислоти з утворенням зв’язку між вуглецем та киснем (рис. 24).

Рис. 24. Структурна формула нуклеотиду з аденіновою азотистою основою. Три складові нуклеотиду – аденін, рибоза та фосфатний залишок з’єднуються за допомогою азоту та вуглецю і вуглецю та кисню.

Утворення полімерів. Нуклеотиди здатні з’єднуватися між собою лінійно. Ковалентні хімічні зв’язки виникають між киснем фосфатного залишку та вуглецем пентози (рис.25).

Рис.25. Поєднання нуклеотидів у ланцюг. З’єднання відбувається з утворенням ковалентних зв’язків між фосфатною групою одного нуклеотида та цукром іншого.

У синтезі ланцюга нуклеїнової кислоти беруть участь чотири нуклеотиди – при утворенні ДНК аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т), цитозин (Ц), а при синтезі РНК замість тиміну використовується урацил (У). Утворений полімер записується за допомогою однолітерного коду відповідно назвам нуклеотидів, що його складають. Наприклад, А-Г-Ц-Т-Т-А- тощо.

Найбільшою за розмірами та молекулярною вагою є ДНК. У її синтезі беруть участь не один ланцюг з нуклеотидів, а два (рис.26).

Спочатку синтезується перший ланцюг, а потім біля нього другий. Таким чином, відбувається самоподвоєння полінуклеотиду. Це явище отримало назву реплікації ДНК. При реплікації спостерігається одна важлива закономірність. На другому ланцюзі ДНК нуклеотиди розміщуються не хаотично, а у строгій відповідності одне одному. Так проти аденіну завжди розташовується тимін, а проти гуаніну – цитозин ( А – Т; Г – Ц ). Така закономірність отримала назву принципу компліментарності (відповідності). Здатність ДНК до реплікації за принципом компліментарності має неабияке значення в існуванні явища життя на нашій планеті.

Рис.26. Схема утворення подвійного ланцюгу ДНК за принципом компліментарності. Азотисті основи з’єднуються через водневі зв’язки – А – Т – через два атоми водню; Г – Ц – через три атоми водню.

Саме через самоподвоєння цієї нуклеїнової кислоти живі істоти передають спадкову інформацію нащадкам протягом сотень мільйонів років еволюції життя на Землі. Цікаво, що відкривачі будови ДНК Дж. Уотсон і Ф.Крік зрозуміли значення цієї властивості і вже в першій своїй публікації у 1953 році відмітили: “Поза нашої уваги не залишилося те, що постульоване нами специфічне спаровування основ відразу ж дозволяє постулювати і можливий механізм копіювання для генетичного матеріалу” (постулат – від лат. postulatum – те, що вимагається або передумова, допущення, положення, що приймається в науці як вихідне і без доказу). Це відкриття стало яскравим прикладом відповідності структури її функції.

По закінченню синтезу ДНК подвійні ланцюги взаємно закручуються, утворюючи подвійну спіраль (рис. 27). Один виток спіралі дорівнює 10 нуклеотидам, а довжина цього витка – 3,4 нм (1 нанометр = 10^-9 1м).

Рис.27. Схема ділянки подвійної спіралі ДНК. Водневі зв’язки між азотистими основами з’єднують ланцюги між собою, а цукровофосфатні ланцюги розташовуються назовні.

Ділянка подвійного ланцюга ДНК близько 500 нуклеотидів складає ген – одиницю спадкової інформації. Один ген контролює синтез молекули білку одного виду. Одна молекула ДНК може складатися з кількох тисяч генів. Загалом, наприклад у людини, кількість діючих генів дорівнює 30 – 40 тисяч.

Інші нуклеїнові кислоти та їх похідні. Функції нуклеїнових кислот. Інша нуклеїнова кислота – рибонуклеїнова кислота (РНК) на відміну від ДНК значно менша за розмірами та молекулярною вагою. Вона одноланцюгова і значно коротша. Замість тиміну в полінуклеотидному ланцюгу використовується урацил (рис. 28). Розрізнюють три основних типи РНК. Транспортна РНК (т-РНК) та рибосомна РНК (р-РНК) мають досить складну просторову будову, а матрична РНК (м-РНК) є інформаційною. Але більш докладно ми їх розглянемо при вивченні механізму синтезу білку.

Рис. 28. Відмінності в нуклеотидному складі ДНК та РНК.

Інша похідна від нуклеїнових кислот сполука – АТФ – аденозинтрифосфорна кислота, яка відіграє центральну роль у збереженні та транспортуванні енергії (рис. 29). Її ще називають акумулятором живої клітини.

Рис. 29. Хімічна та просторова будова АТФ – аденозинтрифосфорної кислоти. Сполука аденіну з рибозой носить назву аденозину. Енергія “консервується” у кисневих зв’язках фосфатних залишків.

АТФ утворена нуклеотидом, який складається з аденіну, рибози та трьох залишків фосфорної кислоти. Між другим та третім залишками утворюються хімічні зв’язки багаті на енергію – макроергічні зв’язки. Кожний такий зв’язок містить близько 40 кДж енергії. Нагродження та звільнення енергії відбувається шляхом утворення таких зв’язків (синтез АТФ) та їх розриву. Послідовно АТФ перетворюється в АДФ (аденозиндифосфат) і, що рідше, до АМФ (аденозинмонофосфат). В іноземній науково-популярній літературі АТФ позначається як АТР, де остання літера “Р” позначає хімічний елемент фосфор.

Нуклеотиди, наприклад аденін, може з’єднуватися з іншими органічними сполуками, утворюючи коферменти. Той же аденін у вигляді циклічної АМФ (аденозинмонофосфату) може використовуватися в клітині як сигнальні молекули, що інформують певні її структури про перебіг біохімічних процесів тощо.

Центральне положення серед нуклеїнових кислот клітини звичайно займає ДНК. Її функція – збереження та передача спадкової інформації. Основна маса ДНК зосереджена в ядрі клітини. Шляхом реплікації (самоподвоєння) ДНК може багаторазово повторюватися в точній копії. Але при такому копіюванні можливі помилки. Ці помилки називаються мутаціями (від лат. mutatio – зміна, переміна). Здатність ДНК до мутування має неабиякий біологічний сенс. Помилки в реплікації призводять до помилок в передачі спадкових ознак і, як слідство, з’являються організми із зміненими ознаками. Виникає явище мінливості, яке є основою еволюційних процесів. Змінені організми підпадають під дію природного добору, а найкращі варіанти зберігаються. Шляхом розмноження ці варіанти багаторазово відтворюються і поступово формуються нові форми живих організмів. Таким чином мутаційний процес є загальною властивістю ДНК і забезпечує пристосованість організмів до змінених умов існування.

Дата добавления: 2015-12-08