Нуклеїнові кислоти - природні високомолекулярні біополімери, що забезпечують зберігання і передачу спадкової (генетичної) інформації в живих організмах.
Макромолекула нуклеїнових кислот, з молекулярною масою від 10000 Дальтон до декількох мільйонів, відкриті в 1869 р швейцарським хіміком Ф. Мішер в ядрах лейкоцитів, що входять до складу гною, звідси і назва (нуклеус - ядро).
Нуклеїнові кислоти являють собою полімери, мономерами яких є нуклеотиди. Кожен нуклеотид складається з азотистої основи, цукру пентози і залишку фосфорної кислоти. З нуклеотидів будуються довгі молекули - полінуклеотіди.
фосфатом і цукром
Мал. Будова нуклеотиду.
Цукор. що входить до складу нуклеотиду, містить п'ять вуглецевих атомів, т. е. є пентозу. Залежно від виду пентози, присутньої в нуклеотиде, розрізняють два типи нуклеїнових кислот - РНК (РНК), які містять рибозу. і дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК), що містять дезоксирибози (С5 Н10 О4).
Основи . в обох видах нуклеїнових кислот, містяться чотирьох різних видів: два з них відносяться до класу пуринів і два - до класу піримідинів. До числа пуринів відносяться аденін (А) і гуанін (Г), а до числа пиримидинов - цітізін (Ц) і тимін (Т) або урацил (У) (відповідно в ДНК або РНК).
Нуклеїнові кислоти є кислотами тому, що в їх молекулі міститься фосфорна кислота.
Роль нуклеотидів в організмі не обмежується тим, що вони служать будівельними блоками нуклеїнових кислот; деякі важливі коферменти також представляють совою нукоеотіди. Такі, наприклад, аденозинтрифосфат (АТФ), никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФ) і флавінаденіндінуклеотід (ФАД).
ядерна цитоплазматические іРНК тРНК рРНК
В даний час відомо велика кількість різновидів ДНК і РНК, відмінних один від одного за будовою і значенням у метаболізмі.
Приклад: в бактеріях клітин кишкової палички міститься близько 1000 різних нуклеїнових кислот, а у тварин і рослин ще більше.
Кожен вид організмів містить свій, характерний тільки для нього, набір цих кислот. ДНК локалізується переважно в хромосомах клітинного ядра (99% всієї ДНК клітини), а також в мітохондріях і хлоропластах. РНК входить до складу ядерець, рибосом мітохондрій, пластид і цитоплазми.
Молекула ДНК є універсальним носієм генетичної інформації в клітинах. Саме завдяки будовою і функціями цієї молекули ознаки передаються у спадок - від батьків нащадкам, тобто здійснюється загальне властивість живого - спадковість. Молекули ДНК - найбільші біополімери.
Структура молекул ДНК була розшифрована в 1953 р Дж. Уотсоном і Ф. Криком. За це відкриття вони отримали Нобелівську премію.
Відповідно до моделі ДНК по Вотсону - Крику. молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюжків, закручених вправо навколо однієї і тієї ж осі. утворюючи подвійну спіраль. Ланцюги розташовано антипараллельно, тобто назустріч один одному. Об'єднуються дві полінуклеотидні ланцюга в єдину молекулу ДНК за допомогою водневих зв'язків, що виникають між азотистих основ нуклеотидів різних ланцюгів.
Ланцюги подвійної спіралі комплементарні один одному, т. К. Спаровування підстав відбувається в суворій відповідності: аденін з'єднується з тиміном, а гуанін - з цитозином.
число аденілових нуклеотидів дорівнює числу тіміділових. а число гуанілова - числу цітіділових. Ця закономірність отримала назву «правило Чаргаффа».
Суворе відповідність нуклеотидів, розташованих в парних антипаралельних нитках ДНК, називаються комплементарностью. Це властивість лежить в основі утворення нових молекул ДНК на базі вихідної молекули.
Таким чином, подвійна спіраль стабілізована численними водневими властивостями (між А і Т утворюється дві, а між Г і Ц - три) і гідрофобними взаємодіями.
Уздовж осі молекули сусідні пари підстав розташовуються на відстані 0,34 нм одна від одної. Повний оборот спіралі доводиться на 3,4 нм, т. Е. На 10 пар основ (один виток). Діаметр спіралі - 2 нм. Відстань між вуглеводними компонентами двох спарених нуклеотидів 1,1 нм. Довжина молекули нуклеїнових кислот досягає сотень тисяч нанометрів. Це значно більше найбільшою макромолекули білка, яка в розгорнутому вигляді досягає в довжину не більше 100-200 нм. Маса молекули ДНК становить 6 * 10 -12 м
Даний спосіб реплікації ДНК, запропонований Уотсоном і Криком відомий під назвою напівконсервативним реплікація.
Реплікація (редуплікація) дозволяє зберегти сталість структури ДНК. Синтезована молекула ДНК абсолютно ідентична вихідної по послідовності нуклеотидів. Якщо під впливом різних факторів в процесі реплікації в молекулі ДНК відбуваються зміни в числі і порядку проходження нуклеотидів, то виникають мутації. Здатність молекул ДНК виправляти виникаючі зміни і відновлювати вихідну називається репарацією.
1) Зберігання спадкової інформації.
ДНК зберігає інформацію у вигляді послідовності нуклеотидів.
2) Відтворення і передача генетичної інформації.
Можливість передачі інформації дочірнім клітинам забезпечується здатністю хромосом до поділу на хроматиди з подальшою редуплікацією молекул ДНК. У ній закодована генетична інформація про послідовність амінокислот в молекулі білка. Ділянка ДНК, що несе інформацію про одну поліпептидного ланцюга, називається геном.
ДНК присутня в хромосомах в якості структурного компонента, тобто є хімічною основою хромосомного генетичного матеріалу (гена).
4) ДНК є матрицею для створення молекул РНК.
РНК міститься у всіх живих клітинах у вигляді одноланцюгових молекул. Вона відрізняється від ДНК тим, що містить в якості пентози рибозу (замість дезоксирибози), а в якості одного з піримідинових основ - урацил (замість тиміну). Існує три типи РНК. Це матрична, або інформаційна, РНК (мРНК, іРНК), транспортна РНК (тРНК) і рибосомная РНК (рРНК). Всі три синтезуються безпосередньо на ДНК, а кількість РНК в кожній клітині залежить від кількості вироблюваного цією клітиною білка.
На відміну від ДНК, молекули РНК, являють собою одноланцюговий лінійний біополімер, що складається з нуклеотидів.
Дволанцюжкові РНК служать для зберігання і відтворення спадкової інформації у деяких вірусів, тобто виконують у них функції хромосом - вірусна РНК.
Нуклеотиди однієї молекули РНК можуть вступати в комплементарні взаємини з іншими нуклеотидами цієї ж ланцюжка, в результаті утворення вторинної і третинної структури молекул РНК.
Мал. Будова транспортної РНК.
Рібісомальная РНК (рРНК) становить 85% всієї РНК клітини, вона синтезується в полісом, в з'єднання з білком входить до складу рибосом, мітохондрій (мітохондріальна РНК) і пластид (пластидних РНК). Містить від 3 до 5 тис. Нуклеотидів. На рибосомах йде синтез білка.
Функції. рРНК виконує структурну функцію (входить до складу рибосом) і бере участь у формуванні активного центру рибосом, де відбувається утворення пептидних зв'язків між молекулами амінокислот в процесі біосинтезу білка.
Інформаційна РНК (іРНК) становить 5% всієї РНК в клітинах. Вона синтезується в процесі транскрипції на певній ділянці молекули ДНК - гені. За будовою іРНК комплементарна ділянці молекул ДНК, що несе інформацію про синтез певного білка. Довжина іРНК залежить від довжини ділянки ДНК, з якого зчитувалася інформація (може складатися з 300-30000 нуклеотидів)
Функції. іРНК переносить інформацію про синтез білка з ядра в цитоплазму на рибосоми і стає матрицею для синтезу молекул білка.
Транспортна РНК (тРНК) становить близько 10% всієї РНК, синтезується в полісом, має коротку ланцюг нуклеотидів і знаходиться в цитоплазмі. Вона має функцію трилисника. У кожної амінокислоти є власна сім'я молекул тРНК. Вони доставляють містяться в цитоплазмі амінокислоти до рибосоми.
Функції. на одному кінці знаходиться триплет нуклеотидів (антикодон), що кодує певну амінокислоту. З протилежного боку триплет нуклеотидів, до якого приєднується амінокислота. Для кожної амінокислоти - своя тРНК.