Підручник з Хімії. 10 клас. Величко - Нова програма

§ 45. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ

Склад і будова молекул. У функціонуванні живих організмів важливу роль відіграють нуклеїнові кислоти (НК). Вони містяться в кожній живій клітині й контролюють її роботу.

Нуклеїнові кислоти відкрив у 1868 р. швейцарський учений Ф. Мішер. Він також визначив у їхньому складі Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Фосфор (останній міститься у вигляді залишку ортофосфатної кислоти). Згодом було виявлено, що до складу НК входять нітрогеновмісні гетероциклічні сполуки, так звані азотисті основи.

До якої групи сполук належать пурин, піримідин та їхні похідні?

До 1910 р. було невідомо, як саме сполучені між собою азотисті основи й ортофосфатна кислота, аж доки у складі НК не виявили залишки вуглеводів — моносахаридів. З’ясувалося, що існують два типи НК: до складу одних уходить моносахарид рибоза, а до складу інших — дезоксирибоза. Відповідно кислоти було названо рибонуклеїновою (РНК) і дезоксирибонуклеїновою (ДНК).

Отже, у складі НК поєднуються нітрогеновмісні гетероцикли, моносахариди й залишок ортофосфатної кислоти.

До того ж НК є полімерними сполуками. Загалом схему полімерного ланцюга можна подати, як на мал. 143, 144.

Мал. 143. Схема будови нуклеїнової кислоти

Мал. 144. Фрагмент полімерного ланцюга нуклеїнової кислоти

У молекулі НК азотиста основа сполучена з моносахаридом — цей фрагмент називають нуклеозидом. Нуклеозид, сполучений із залишком ортофосфатної кислоти, утворює нуклеотид.

Нуклеотиди є мономерними ланками полімерного ланцюга НК.

Пригадайте, що вуглеводи здатні утворювати естери з неорганічними кислотами. Саме такий зв’язок виникає між ортофосфатною кислотою та моносахаридами в НК. Цей зв’язок руйнується в результаті гідролізу НК, при цьому утворюється суміш нуклеотидів.

ДНК і РНК містять різні азотисті (нітрогеновмісні) основи. До складу ДНК входять аденін, гуанін, тимін, цитозин, до складу РНК — аденін, гуанін, цитозин, урацил.

У макромолекулах ДНК і РНК з’єднуються тисячі нуклеотидів. Молекулярна маса НК становить від декількох сотень тисяч до декількох мільйонів.

Послідовність розміщення нуклеотидів зумовлює первинну структуру НК.

Подвійна спіраль ДНК. Вторинна структура краще вивчена для ДНК. Це два полінуклеотидні ланцюги, закручені в подвійну спіраль (мал. 145). Кожна азотиста основа одного ланцюга спрямована вглиб спіралі й сполучена водневим зв’язком з азотистою основою другого ланцюга. Важливим є те, що аденін завжди розміщується в парі з тиміном, цитозин — із гуаніном (мал. 146).

Мал.145. Схема подвійної спіралі ДНК та її реплікації

Мал. 146. Схема утворення водневих зв'язків між азотистими основами паралельних ланцюгів ДНК

Отже, азотисті основи ніби доповнюють одна одну. Інакше кажучи, вони розміщуються згідно з принципом комплементарності (від лат. complementum — доповнення).

Пригадайте, яку роль відіграють водневі зв'язки у структурі білків.

Подвійну спіраль ДНК порівнюють із гвинтовими сходами. «Стояки» сходів — це ланцюги з вуглеводних і фосфатних груп, а азотисті основи утворюють власне «східці».

Модель подвійної спіралі ДНК (мал. 147) запропонували в 1953 р. американський учений Д. Вотсон і англійський учений Ф. Крік, за що були удостоєні Нобелівської премії 1962 р. (мал. 148).

Мал. 147. Модель подвійної спіралі ДНК

Мал. 148. Майбутні Нобелівські лауреати Д. Вотсон і Ф. Крік біля першої моделі ДНК

Значення ДНК. Розкриття структури ДНК має величезне наукове значення, оскільки ця структура пов’язана з функціями ДНК в організмі. Подвійна спіраль ДНК зберігає спадкову інформацію, записану (закодовану) у вигляді послідовності азотистих основ у полінуклеотидному ланцюзі. Кожна трійка послідовно розміщених основ (триплет) є наче «літерою» генетичного коду, одиницею спадкової інформації. Її називають кодоном.

Передача інформації відбувається завдяки здатності ДНК до реплікації (від лат. replicatio — відбиття) (див. мал. 145). ДНК подвоюється, щоб забезпечити дочірню клітину повним набором відповідних молекул. У момент поділу клітини розриваються водневі зв’язки, подвійна спіраль починає розкручуватися, розділяючись на два ланцюги. На кожному з них добудовується додатковий ланцюг за рахунок нуклеотидів, що постачаються з навколишнього середовища й розміщуються за принципом комплементарності. Між азотистими основами утворюються нові водневі зв’язки. У результаті відбувається точне відтворення вихідної подвійної спіралі (мал. 149).

Мал.149. Електронна мікрографія молекули ДНК

Цей процес є молекулярною основою спадковості. Будь-яка помилка у відтворенні подвійної спіралі спричиняє мутацію (від лат. mutatio — зміна), тобто зміну спадкових структур організму.

Не менш важливою є ще одна функція ДНК: вона спрямовує синтез білка в організмі. Послідовність азотистих основ уздовж ланцюга ДНК визначає послідовність амінокислот у білкових молекулах. Кожній амінокислоті відповідає свій кодон. Ця інформація використовується під час синтезу білка в клітині. Отже, структура молекул НК визначає структуру молекул білків, що синтезуються в організмі.

Для того щоб в організмі відбувався синтез білків та інші біохімічні реакції (наприклад, такі, що мають місце під час скорочення м’язів чи перетравлювання їжі, підтримання температури тіла, передачі нервових імпульсів — загалом під час виконання всіх життєвих функцій), потрібна енергія. Її запас акумулюється в хімічних зв’язках молекули аденозинтрифосфату (АТФ). Ця сполука утворюється з вуглеводу рибози, гетероциклічної сполуки аденіну й трьох залишків ортофосфатної кислоти (мал. 150).

Мал. 150. АТФ

Під дією біокаталізаторів (ферментів) розриваються зв’язки між кінцевими фосфатними групами, енергія передається іншим молекулам, а АТФ перетворюється на АДФ (аденозиндифосфат). Фосфатна група може знову приєднатися за рахунок поглинання сонячної енергії (у разі фотосинтезуючих клітин) або хімічної енергії (у разі гетеротрофних клітин), що виділяється внаслідок утилізації вуглеводів, жирів, білків. Отже, у процесі регенерації АТФ енергія запасається. АТФ є основним носієм хімічної енергії клітин усіх живих організмів.

Висновки

• Нуклеїнові кислоти — природні полімери.

• Мономерні ланки НК — нуклеотиди — складаються із хімічно зв’язаних нуклеозидів (азотиста основа + вуглевод) і залишків ортофосфатної кислоти.

• Є два типи НК: рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнові (ДНК). Вони різняться між собою за складом вуглеводів і азотистих основ.

• Кожна НК має властиву тільки їй послідовність нуклеотидів (первинна структура).

• Вторинна структура ДНК — це подвійна спіраль, у якій утворюються водневі зв’язки між азотистими основами.

• Азотисті основи в ДНК розміщені за принципом комплементарності.

• Триплет азотистих основ є кодоном генетичної інформації.

• Передача генетичної інформації відбувається завдяки реплікації ДНК.

Завдання для самоконтролю

1. Поясніть склад і хімічну будову НК.

2. Дайте означення понять: нуклеїнова кислота; нуклеотид; нуклеозид.

3. Укажіть мономерну ланку нуклеїнових кислот.

А пептид

Б нуклеотид

В нуклеозид

Г моносахарид

4. Чим різняться між собою за складом ДНК і РНК?

5. Виділіть на мал. 144 мономерну ланку НК.

6. Як, на вашу думку, відбувається частковий і повний гідроліз НК? Які сполуки при цьому утворюються?

7. Що означає парність азотистих основ у структурі ДНК?

8. Поясніть за мал. 146, як утворюються водневі зв’язки між ланцюгами ДНК.

9. Що таке кодон? Обчисліть кількість можливих кодонів за формулою числа сполучень:

mⁿ, де m — число азотистих основ; n — число основ у кодоні.

10. До чого може призвести помилка в послідовності нуклеотидів?

11. Укажіть, яку роль виконує ДНК в живому організмі.

А будівельний матеріл

Б збереження енергії

В збереження генетичної інформації

Г передача генетичної інформації

12. Поясніть зв’язок між НК й білками в організмі.

13. Схарактеризуйте значення відкриття структури ДНК, спираючись на знання з курсу біології.

14. «Під час уважного вивчення живих організмів, починаючи від найпростіших одноклітинних водоростей і бактерій і закінчуючи найскладнішими й найдосконалішими хребетними тваринами й людиною, стає помітною одна не випадкова особливість. Усі життєво важливі процеси в організмах відбуваються за безпосередньої участі тваринних і рослинних полімерних молекул. Низькомолекулярні речовини, такі як вода, мінеральні солі, і навіть деякі прості жири й вуглеводи входять у життєвий процес лише як середовище, тло, на якому працюють біополімери та їхні комплекси: білки, нуклеїнові кислоти, нуклеопротеїди, полісахариди, ліпопротеїди тощо. Кожній із цих речовин притаманні всі особливості, властиві полімерам. Разом із тим варто підкреслити, що вражаюча багатоманітність властивостей біополімерів пов’язана не лише й не настільки з відмінностями їхнього складу, як з величезною різноманітністю їхньої будови». (В. П. Кушнер).

Прокоментуйте наведений текст. На основі знань з біології і хімії схарактеризуйте значення біополімерів у природі. Підготуйте повідомлення з цього питання.

15. Зробіть узагальнення щодо взаємозв’язку між складом, структурою та функціями біологічно активних речовин.