Нуклеиновыми кислотами называют природные биополимеры, являющиеся продуктами реакции поликонденсации нуклеотидов.
По виду нуклеотидов различают два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК).
Рибонуклеиновые кислоты — нуклеиновые кислоты, получаемые при поликонденсации рибонуклеотидов.
Дезоксирибонуклеиновые кислоты — это продукты поликонденсации дезоксирибонуклеотидов.
Дезоксирибонуклеотиды (ДНК-нуклеотиды) в своем составе содержат остатки дезоксирибозы.
Рибонуклеотиды (РНК-нуклеотиды) — нуклеотиды, в состав молекул которых входят остатки рибозы.
РНК и ДНК называют нуклеиновыми (ядерными) потому, что они были обнаружены в ядрах клеток (особенно ДНК), однако они могут встречаться и в других органиодах (пластидах, митохондриях, клеточном центре и т. д.).
Краткая характеристика нуклеотидов, нуклеозидов, азотистых циклических оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот
Если нуклеотид (любой) подвергнуть полному гидролизу, то при этом можно получить циклическое азотистое основание, пентозу и фосфорную (орто) кислоту. При частичном гидролизе нуклеотида получают фосфорную кислоту и нуклеозид. Если гидролизу подвергнуть нуклеозид, то можно получить циклическое азотистое основание и пентозу (рибозу или дезоксирибозу).
Итак, при гидролизе ДНК-нуклеотида можно получить ДЕК-нуклеозид и фосфорную кислоту (неполный гидролиз), либо азотистое основание (циклическое), дезоксирибозу (пентозу) и фосфорную кислоту.
Продуктами частичного гидролиза РНК-нуклеотида является фосфорная кислота и РНК-нуклеозид, а полного гидролиза — циклическое азотистое основание, рибоза (пентоза) и фосфорная кислота.
Если же необходимо получить РНК-нуклеотид, то вначале из природного циклического азотистого основания и рибозы получают РНК-нуклеозид, который можно использовать для синтеза РНК-нуклеотида, проведя реакцию его с фосфорной кислотой. Аналогично можно синтезировать ДНК-нуклеотид, только вместо рибозы необходимо использовать дезоксирибозу.
При исследовании состава нуклеиновых кислот был обнаружен ряд природных циклических оснований, важнейшими среди которых являются аденин, гуанин (они относятся к пуриновым основаниям, содержат два взаимосвязанных цикла и являются производными циклического вещества пурина; остатки этих оснований входят и в ДНК, и в РНК).
Кроме аденина и гуанина в составе нуклеиновых кислот обнаружили остатки цитозина, тимина и урацила (эти азотистые основания относят к пиримидиновым основаниям, так как они являются производными пиримидина). Они содержат в своем составе один цикл, напоминающий по структуре бензольное ядро, но часть атомов углерода в нем заменена на атомы азота). Остатки цитозина содержатся как в ДНК, так и в РНК, а остатки тимина — только в ДНК, а урацила — только в РНК.
Эмпирические формулы (не для запоминания): аденина — С5Н5N5; гуанина — С5Н5Н5O; цитозина — С4Н5N3O; урацила — С4Н4N2O2; тимина — С5Н6N2O2.
Азотистые основания в своем составе содержат группы =NН, —ИН2, карбонильные группы, атомы азота, что приводит к образованию водородных связей, играющих большую роль в возникновении структур нуклеиновых Кислот, их устойчивости и многообразных свойств.
Обучающемуся нужно понимать и уметь составлять схемы нуклеозидов и нуклеотидов. Ниже приведены некоторые из таких схем. Важным является и понимание номенклатуры (названий) нуклеозидов и нуклеотидов. Их названия строятся по названию азотистого основания, которое является прилагательным к слову нуклеозид или нуклеотид, при этом в названии указывается вид нуклеотида (нуклеозида) по остатку пентозы, например, адениловый ДНК-нуклеотид; это означает, что данное вещество состоит из остатка аденозина, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, соединенных кислородными мостиками.
Примеры схем РНК-нуклеозидов:
1) «остаток цитозина — остаток рибозы» — это цитозиловый РНК-нуклеозид;
2) «остаток урацила — остаток рибозы» — это урациловый РНК-нуклеозид.
Пример схемы и названия ДНК-нуклеозида:
«остаток аденина — остаток дезоксирибозы» — это адениловый ДНК-нуклеозид.
Пример схемы и названия ДНК-нуклеотида:
«остаток тимина — остаток дезоксирибозы — остаток фосфорной кислоты» — тимидиловый ДНК-нуклеотид.
Пример схемы и названия РНК-нуклеотида:
«остаток урацила — остаток рибозы — остаток фосфорной кислоты» — это урациловый РНК-нуклеотид.
Краткая характеристика структуры молекул ДНК
ДНК обладают очень сложной структурой, которая была раскрыта в работах ряда ученых, в том числе Дж. Уотсона и Ф. Крика (1953). Различают ряд структур, некоторые из которых будут рассмотрены ниже.
1. Как и для белков, для ДНК характерна первичная структура, характеризующаяся последовательностью расположения остатков нуклеотидов. В образовании ДНК участвуют адениловый, гуаниловый, цитозиловый и тимидиловый ДНК-нуклеотиды.
Итак, первичная структура ДНК — это последовательность остатков нуклеотидов, связанных остатками фосфорной кислоты, при этом последний кислородными мостиками соединяет остатки нуклеозидов через 3-5-й атомы углерода дезоксирибозы. Остаток азотистого основания связан с первым атомом углерода дезоксирибозы, а собственный остаток фосфорной кислоты данного ДНК-нуклеотида связан через кислородный мостик с третьим атомом углерода дезоксирибозы, и этот остаток фосфорной кислоты при поликонденсации взаимодействует с группой «ОН», связанной с пятым атомом углевода другого нуклеотида. Схематично первичную структуру ДНК (без учета ее структурных особенностей) можно изобразить последовательностью заглавных начальных букв от названий нуклеотидов, например:
А—Ц—Ц—Г—Т—Т……,
где А — остаток от аденилового, Г — гуанилового, Т — тимидилового, Ц — цитозилового ДНК-нуклеотида. Разновидностей последовательности сочетаний остатков нуклеотидов бесконечное множество, поэтому и разновидностей молекул ДНК очень много, настолько много, что каждая особь конкретного вида имеет свои ДНК, характерные только для данного организма.
2. Вторичная структура ДНК состоит в том, что она образует двойную цепь, т. е. две полинуклеотидные цепи объединяются и образуют единую молекулу. Такое объединение возможно за счет того, что азотистые основания (а следовательно, и остатки нуклеотидов) обладают комплементарностью — взаимодополнением за счет образования между остатками азотистых оснований (или ее возможностью) водородных связей. Установлено, что аденин комплементарен тимину, так как между ними образуются две водородные связи: первая между группой — NН2 (от аденина) и атомом кислорода группы =С=O (от тимина), а вторая между атомом азота шестичленного цикла аденина и атомом водорода группы =NH (в молекуле тимина).
Примечание. В РНК вместо остатков тимина содержатся остатки урацила и это основание комплементарно аденину по той же причине, что и тимин комплементарен аденину; это важно знать и учитывать при рассмотрении процессов синтеза РНК.
Гуанин комплементарен цитозину, так как между этими основаниями (или их остатками) возникает три водородных связи: первая между атомом кислорода карбонильной группы (=С=O) шестичленного цикла гуанина и атомом водорода группы — NН2 цитозина; вторая осуществляется атомом водорода группы =NН шестичленного цикла гуанина и атомом азота в цикле цитозина; третья связь реализуется атомом водорода аминогруппы (—NН2) гуанина и атомом кислорода карбонильной группы цитозина (характеристика сущности принципа комплементарности для остатков нуклеотидов дана для иллюстрации, а не для запоминания).
3. Третичная структура ДНК состоит в том, что две двойные полинуклеотидные цепи сворачиваются в единую альфа-спираль, при этом начало первой двойной полинуклеотидной цепи направлено к концевой части второй полинуклеотидной цепи по принципу «голова—хвост».
Устойчивость третичной структуры ДНК связана со способностью возникновения водородных связей между отдельными участками полинуклеотидных цепей и другими видами связей.
4. Четвертичная структура ДНК представляет собой пространственное расположение альфа-спирали. ДНК, как и все нуклеиновые кислоты, образует с белками сложные белки — нуклеопротеиды, которые (для ДНК) образуют специальные органоиды клетки — хромосомы.
Краткая характеристика эколого-биологической роли ДНК
ДНК наряду с белками является неотъемлемой составной частью живого вещества; без этих соединений жизнь как свойство материи практически невозможна, что и характеризует эколого-биологическую роль ДНК. Можно назвать следующие биолого-экологические функции ДНК.
1. ДНК — это «вместилище» информации о признаках данного организма, поэтому за счет передачи ДНК генеративным (половым) клеткам происходит передача наследственных признаков от родителей к потомкам.
2. На ДНК происходит синтез РНК, за счет чего происходит передача информации о строении и свойствах белков на органоиды, на которых происходит биосинтез белка, что приводит к синтезу белков с определенными свойствами и к реализации конкретных признаков, присущих данному организму.
3. Отдельные участки ДНК «ведают» информацией об определенных конкретных признаках организма и носят название «гены» (гены являются материальной основой наследственности).
(Определение понятия ген неоднозначно, существуют разные точки зрения по этому вопросу, однако, не усложняя картину, можно использовать такое определение:
Ген — это определенный участок молекулы ДНК с разнообразными видами его строения, состоящий из определенного количества остатков нуклеотидов, отвечающий за передачу и реализацию данного конкретного признака от одного организма к другому.)
4. ДНК вместе с белками образуют хромосомы — особые органоиды клетки, которые четко проявляются в процессе «непрямого» деления (митоза). Благодаря наличию хромосом происходит равномерное распределение ядерного вещества, а именно ДНК, между дочерними клетками, что важно для равноценности будущего потомства и его выживания в условиях внешней среды.
5. На исходных молекулах ДНК происходит синтез (самовоспроизведение) новых молекул ДНК в период интерфазы (промежутка времени между делениями) либо в период подготовки клеток к делению (если вновь образующиеся клетки в дальнейшем не способны к делению, что характерно для сперматозоидов, эритроцитов и т. д.).
Краткая характеристика процессов синтеза ДНК в организмах
Синтез ДНК или репликация (редупликация) — один из важнейших эколого-биологических процессов, от которого зависит существование живых существ, и на который отрицательное воздействие оказывают различные процессы, протекающие в окружающей среде. Репликация — это классический пример матричного синтеза (синтеза на определенной основе), широко встречающегося в природе. Рассмотрим некоторые особенности репликации.
Перед началом репликации изменяется структура материнской молекулы ДНК: нарушается четвертичная структура ее молекулы, двойная спираль раскручивается (разрушается третичная структура), а затем каждая из двойных полинуклеотидных цепей начинает разделяться на одинарные полинуклеотидные цепи (нарушается вторичная структура молекулы ДНК), т. е. из одной молекулы возникают зачатки четырех одинарных полинуклеотидных цепей. На каждом из зачатков одинарной полинуклеотидной цепи происходит формирование новых двойных полинуклеотидных цепей в результате реакции поликонденсации под влиянием ферментов и за счет энергии гидролиза АТФ.
Матрицей в этом синтезе является одинарная полинуклеотидная цепь, на которой по принципу комплементарности формируется новая полинуклеотидная цепь, связанная с материнской цепью водородными связями.
В результате этого процесса в конечном итоге возникает четыре двойных полинуклеотидных цепи, т. е. формируется вторичная структура молекулы ДНК. Из четырех возникших двойных полинуклеотидных цепей формируются две альфа-спирали, дающие начало двум молекулам равноценных ДНК, которые представляют копии молекулы. За счет этого процесса количество ДНК в клетке удваивается, что является предпосылкой для реализации обычного деления, протекающего либо в форме митоза (непрямого деления), либо в форме амитоза (прямого деления).
Краткая характеристика РНК (строение молекул, классификация, эколого-биологическая роль)
Рибонуклеиновые кислоты (РНК) являются продуктами реакции поликонденсации РНК-нуклеотидов.
РНК многообразны, имеют определенную классификацию, но обладают общей для всех РНК первичной структурой, состоящей в том, что все они являются последовательностью остатков РНК-нуклеотидов в одинарной полинуклеотидной цепи; эти остатки связаны друг с другом остатком фосфорной кислоты через 3-5-й атомы углерода рибозы разных нуклеозидов. В состав РНК входят остатки четырех видов РНК-нуклеотидов: аденилового, гуанилового, цитозидового и урацилового (последний нуклеотид аналогичен тимидиловому для ДНК).
По строению и выполняемым функциям различают три типа РНК: 1) информационная или иРНК; 2) транспортные или тРНК; 3) рибосомальные или рРНК. Кратко охарактеризуем эти разновидности РНК.
1. Информационные РНК (иРНК) — это РНК, главной функцией которых является перенесение информации о строении, а следовательно, и свойствах белков, на органоид клетки, где происходит синтез молекул белка. ИРНК является матрицей для синтеза белковой молекулы, в чем и состоит ее вторая функция. ИРНК представляет собой полинуклеотидную цепь определенной длины, соответствующей длине гена, в котором закодирована информация о строении белка, а следовательно, и признаке организма. ИРНК всегда значительно короче (по длине), чем ДНК. Разновидностей иРНК бесконечное множество, поскольку много отдельных особей организмов, а соответственно и признаков, им соответствующих.
2. Транспортные РНК (тРНК) — это относительно небольшие молекулы специфического строения, их относительно немного — 64. Их главная функция — транспорт молекул природных альфа-аминокислот к месту синтеза молекул белка (в рибосомы). ТРНК активизируют аминокислоты и переносят их к месту синтеза белка. Они имеют специфическую крестообразную форму, и на вершине «креста» располагается антикодон, которым тРНК прикрепляется к кодону на иРНК. На противоположном полюсе молекулы тРНК располагается «акцепторный» (захватывающий) участок молекулы, к которому прикрепляется данная альфа-аминокислота. Разновидностей тРНК 64 потому, что существует 64 кодона альфа-аминокислот, с помощью которых кодируется полипептидная цепь молекулы белка, начало, завершение и паузы в синтезе белковой молекулы.
3. Рибосомальные РНК (рРНК) — это РНК, образующие рибосомы совместно с молекулами белка; рРНК наряду с другими РНК способствуют протеканию процессов биосинтеза белка, кроме этого они выполняют строительную функцию, являясь одним из веществ, из которых образованы рибосомы. Существует большое разнообразие молекул рРНК.
Отличия РНК от ДНК:
1) в состав ДНК входит тимин, а в состав РНК (вместо тимина) — урацил;
2) ДНК преимущественно содержится в ядре (но может находиться в митохондриях, пластидах, клеточном центре), а РНК — в ядре, цитоплазме, рибосомах;
3) в состав элементарных звеньев (остатков нуклеотидов) ДНК входит остаток дезоксирибозы, а в состав РНК-нуклеотидов — остаток рибозы (с чем и связаны различия в названии этих групп нуклеиновых кислот);
4) ДНК является продуктом реакции поликонденсации ДНК-нуклеотидов, а РНК — РНК-нуклеотидов;
5) степень поликонденсации (n) в ДНК значительно выше, чем в РНК;
6) молекула ДНК состоит из групп остатков нуклеотидов определенной последовательности, образующих «ген», который заключает в себе определенный признак организма и ведает его передачей потомкам, в РНК таких участков нет, т.е. РНК не является совокупностью «генов»;
7) ДНК — это единая группа соединений, имеющая бесконечно большое число разновидностей, а РНК делится на три группы соединений, из которых иРНК бесконечно много разновидностей, 64 разновидности тРНК и большое число разновидностей рРНК;
8) молекулы ДНК имеют очень сложную структуру, а структуры РНК проще (так, одна молекула ДНК состоит из четырех линейных цепей, а РНК — из одной и т.д.);
9) РНК и ДНК имеют различные функции в организме.
Синтез иРНК (транскрипция)
Синтез РНК, как и синтез ДНК относится к матричному синтезу. РНК синтезируется под воздействием ферментов на поверхности деспирализованной ДНК на отдельных ее участках. В качестве ферментов организм использует белки типа РНК-полимеразы. Синтез РНК начинается с процесса деспирализации соответствующего участка ДНК, на этом участке и происходит «сборка» (транскрипция) полинуклеотидной цепи РНК согласно принципу комплементарности. Синтез РНК — эндотермический процесс и на его осуществление затрачивается энергия, выделяющаяся при расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты.