Біологія. Повторне видання. 9 клас. Соболь

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

Нуклеїнові кислоти - це сполуки, що з’єднують минуле з майбутнім.

Дитяча енциклопедія

§ 9. Нуклеїнові кислоти

Основні поняття й ключові терміни: НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. Нуклеотиди.

Пригадайте! Що таке біополімери та мономери?

Знайомтеся!

25 квітня 1953 р. вважається днем народження молекулярної біології, оскільки в цей день в журналі Nature була опублікована стаття Джеймса Уотсона і Френсіса Кріка з описом створеної моделі просторової структури ДНК. Одне з найбільших відкриттів людства було зроблено так, що неможливо визначити, який науці це відкриття належить, - так тісно переплелися в ньому хімія, фізика та біологія.

ЗМІСТ

Які особливості будови та властивості нуклеїнових кислот?

У живому організмі є хімічні сполуки, призначені для збереження спадкової інформації. Це дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК). Вони не лише зберігають інформацію всередині організму, а й передають її наступному поколінню. В клітинах організму є й сполуки, що цю інформацію реалізують у певні білки. Це рибонуклеїнові кислоти (РНК).

Нуклеїнові кислоти було виявлено швейцарським хіміком Ф. Мішером у складі ядер лейкоцитів в 1869 р., звідки й походить їхня назва (від лат. nucleus - ядро). Це найбільш високомолекулярні речовини у клітині, їх маса досягає декількох мільйонів. Пізніше хіміки встановили, що нуклеїнові кислоти мають вигляд нерозгалуженого ланцюга, утвореного з нуклеотидів.

Нуклеотиди - органічні сполуки, молекули яких складаються з азотистої основи, моносахариду і залишків ортофосфатної кислоти (іл. 18). Вміст цих малих молекул у клітині становить 0,4 % від загальної її маси. Отже, до складу молекул нуклеотидів входять: 1) азотиста (нітрогеновмісна) основа (А - аденін, Г - гуанін, Т - тимін, Ц - цитозин або У - урацил); 2) залишок пентози (Р - рибоза або Д - дезоксирибоза) і ортофосфатна кислота. Нуклеотиди добре розчинні у воді, проявляють властивості кислот, оскільки містять ортофосфатну кислоту, а завдяки нітрогеновмісним основам - основні властивості. І саме ці властивості, співвідношення і послідовність розташування нуклеотидів, просторова структура молекул визначають властивості й функції нуклеїнових кислот. Організми різних видів різняться між собою, тому що молекули ДНК їхніх клітин мають різну послідовність нуклеотидів, і відповідно, містять різну спадкову інформацію.

Іл. 18. Структурна формула нуклеотиду

Отже, НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ - складні високомолекулярні біополімери, побудовані з нуклеотидів, які в усіх живих організмах виконують роль збереження, передачі й реалізації спадкової інформації.

Які особливості структури та властивості ДНК?

Яким чином довгий нерозгалужений ланцюг ДНК кодує всю спадкову інформацію організму? Як ця інформація передається від одного покоління наступному? А як ці довгі ланцюги розташовані в мікроскопічному ядрі? Відповідь на ці та інші подібні запитання містить просторова структура ДНК. Згідно з моделлю, створеною Дж. Уотсоном і Ф. Кріком, молекула ДНК складається з двох ланцюгів і згорнута у спіраль, яка характеризується такими параметрами. Спіраль правозакручена, відстань між нуклеотидами (або довжина нуклеотиду) становить 0,34 нм, крок спіралі - 3,4 нм і містить 10 пар нуклеотидів, діаметр спіралі (2 нм) сталий по всій довжині (іл. 19).

Іл. 19. Будова і розміри молекули ДНК

Спіраль молекули ДНК складається з дезоксирибонуклеотидів, в утворенні яких беруть участь: азотисті основи аденін, тимін, гуанін і цитозин, моносахарид дезоксирибоза і залишки ортофосфатної кислоти. Мономери ДНК поділяють на 4 типи: аденінові, тимінові, гуанінові й цитозинові. Нуклеотиди в одному ланцюзі з’єднані міцними ковалентними (фосфодіестерними) зв’язками, а нуклеотиди з різних ланцюгів у молекулах ДНК з’єднуються між собою за допомогою водневих зв’язків на основі принципу комплементарності (А = Т, Г = Ц) (іл. 20). Завдяки цьому ланцюги ДНК можуть слугувати матрицею для утворення нових ланцюгів. Процес самоподвоєння ДНК, який забезпечує точне копіювання спадкової інформації і передачу її з покоління в покоління, називається реплікацією (від англ. replication - копіювання) (іл. 21). Механізм реплікації відбувається з високою точністю, але інколи трапляються помилки. Молекули ДНК здатні до виправлення порушень. Репарація (від англ. DNA repair - «ремонт» ДНК) - сукупність процесів, за допомогою яких виправляються пошкодження молекул. Ще однією властивістю ДНК є здатність до денатурації (втрата молекулою ДНК спіральної структури внаслідок розриву водневих зв’язків між комплементарними азотистими основами) і ренатурації (відновлення двоспіральної структури завдяки встановленню водневих зв’язків між комплементарними азотистими основами).

Іл. 20. Будова і зв’язки в молекулі ДНК (між аденіновими і тиміновими нуклеотидами утворюються два водневі зв’язки, а між гуаніновими і цитозиновими - три водневі зв’язки)

Іл. 21. Реплікація ДНК

Отже, ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕЇНОВА КИСЛОТА (ДНК) - нуклеїнова кислота, у якої мономерами є дезоксирибонуклеотиди; структура - подвійна спіраль; основні властивості - реплікація, репарація, денатурація й ренатурація.

Чим і чому РНК відрізняється від ДНК?

Спадкова інформація зберігається в ДНК. Роль посередників у передачі цієї інформації від ДНК до рибосом для її реалізації виконують РНК. «Взаємовідносини» ДНК, РНК і білків у молекулярній біології представляють у вигляді схеми: ДНК → РНК → білок.

Для синтезу білка інформація з певних ділянок ДНК, що називаються генами, переписується на РНК. Ці нуклеїнові кислоти відрізняються від ДНК як за хімічним складом, так і за функціями. РНК побудована з рибонуклеотидів, в утворенні яких беруть участь азотисті основи аденін, гуанін, цитозин і урацил, моносахарид рибоза та залишки ортофосфатної кислоти. Виокремлюють 4 типи рибонуклеотидів (аденінові, урацилові, гуанінові й цитозинові), що поєднуються в одинарний ланцюг за допомогою ковалентних зв’язків.

Таким чином, молекули РНК відрізняються від ДНК низкою ознак: а) вуглеводом РНК є рибоза; б) РНК не містить тиміну, його місце займає урацил; в) РНК є одноланцюговою молекулою. Окрім того, РНК завжди мають менші довжину й молекулярну масу, оскільки є копіями окремих ділянок ДНК (іл. 22).

Іл. 22. Особливості будови і структури РНК і ДНК

На ДНК синтезуються кілька видів РНК: 1) інформаційні (іРНК); 2) транспортні (тРНК); 3) рибосомні (рРНК). Інформаційні РНК переписують і переносять інформацію про первинну структуру певного білка до рибосом. Транспортні РНК приєднують і транспортують до рибосом амінокислоти, з яких цей білок утворюється. Рибосомні РНК утворюють самі рибосоми.

Отже, РИБОНУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ - це біополімерні молекули, що побудовані з рибонуклеотидів і забезпечують реалізацію спадкової інформації у вигляді молекул білків.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на порівняння

За допомогою таблиці порівняйте ДНК і РНК у робочому зошиті та сформулюйте висновок про причини відмінностей.

Порівняльна характеристика ДНК і РНК

Ознака

ДНК

РНК

Мономери

Склад нуклеотидів

Структура

Властивості

Функції

Практична робота № 1 (Б)

Розв’язування елементарних вправ зі структури нуклеїнових кислот

Мета: формувати вміння розв’язування елементарних вправ з молекулярної біології.

Для розв’язування задач цього типу потрібно пам’ятати, що довжина нуклеотиду - 0,34 нм; молекулярна маса нуклеотиду - 345 а. о. м.

Правило Чаргаффа (1950): кількість аденінових нуклеотидів у молекулі ДНК дорівнює числу тимінових (А = Т), а гуанінових - числу цитозинових (Г = Ц).

Вправа 1. У фрагменті одного ланцюга молекули ДНК нуклеотиди розміщені в такій послідовності: ТТГ АГЦ АЦГ ГТА ААТ ЦГА. Побудуйте схему дволанцюгової ДНК. Визначте довжину і масу цього фрагмента.

Вправа 2. Фрагмент молекули РНК складається з 37 нуклеотидів. Яка його довжина?

Вправа 3. Яка довжина молекули фрагмента ДНК, який складається з 270 нуклеотидів?

Вправа 4. Фрагмент молекули ДНК містить 560 тимінових нуклеотидів (28 % загальної кількості). Визначте кількість у даному фрагменті аденінових, гуанінових і цитозинових нуклеотидів.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Фізика. Метод рентгеноструктурного аналізу

Метод рентгеноструктурного аналізу допоміг Д. Уотсону та Ф. Кріку отримати в 1962 р. Нобелівську премію з фізіології та медицини за відкриття просторової структури ДНК. В цьому ж році Дж. Кендрю і М. Перутц отримали Нобелівську премію з хімії за визначення тривимірної структури білків, що проведене також методом рентгеноструктурного аналізу. В чому ж сутність цього методу? Яке наукове значення відкриття просторової структури ДНК?

Рентгенограма міоглобіну і ДНК

РЕЗУЛЬТАТ

1-6 балів. 1. Що таке нуклеїнові кислоти? 2. Що таке нуклеотиди? 3. Які нуклеотиди утворюють ДНК? 4. Яка роль ДНК у клітинах? 5. Що таке РНК? 6. Які є види РНК? 7-9 балів. 7. Які особливості будови та властивості нуклеїнових кислот? 8. Які особливості структури та властивості ДНК? 9. Чим і чому РНК відрізняється від ДНК? 10-12 балів. 10. Які причини подібності та відмінностей ДНК і РНК?