Что такое ДНК и РНК? Каковы их функции и значение в нашем мире? Из чего они состоят и как работают? Об этом и не только рассказывается в статье.

Что такое ДНК и РНК

Биологические науки, изучающие принципы хранения, реализации и передачи генетической информации, структуру и функции нерегулярных биополимеров относятся к молекулярной биологии.

Биополимеры, высокомолекулярные органические соединения, которые образовались из остатков нуклеотидов, являются нуклеиновыми кислотами. Они хранят информацию о живом организме, определяют его развитие, рост, наследственность. Эти кислоты участвуют в биосинтезе белка.

Различают два вида нуклеиновых кислот, содержащихся в природе:

• ДНК — дезоксирибонуклеиновая;
• РНК — рибонуклеиновая.

О том, что такое ДНК, миру было поведано в 1868 году, когда ее открыли в клеточных ядрах лейкоцитов и сперматозоидов лосося. Позже они были обнаружены во всех животных и растительных клетках, а также в бактериях, вирусах и грибах. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик в результате рентгено-структурного анализа выстроили модель, состоящую из двух полимерных цепей, которые закручены спиралью одна вокруг другой. В 1962 году эти ученые были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

Что такое ДНК? Это нуклеиновая кислота, которая содержит генотип индивида и передает информацию по наследству, самовоспроизводясь. Поскольку эти молекулы являются очень большими, имеется огромное количество возможных последовательностей из нуклеотидов. Поэтому число различных молекул является фактически бесконечным.

Структура ДНК

Это самые крупные биологические молекулы. Их размер составляет от одной четверти у бактерий до сорока миллиметров в ДНК человека, что гораздо больше максимального размера белка. Они состоят из четырех мономеров, структурных компонентов нуклеиновых кислот — нуклеотидов, в которые входит азотистое основание, остаток фосфорной кислоты и дезоксирибоза.

Азотистые основания имеют двойное кольцо из углерода и азота— пурины, и одно кольцо — пиримидины.

Пуринами являются аденин и гуанин, а пиримидинами — тимин и цитозин. Они обозначаются заглавными латинскими буквами: A, G, T, C; а в русской литературе — на кириллице: А, Г, Т, Ц. При помощи химической водородной связи они соединяются друг с другом, в результате чего появляются нуклеиновые кислоты.

Во Вселенной именно спираль является наиболее распространенной формой. Так и структура ДНК молекулы тоже имеет ее. Полинуклеотидная цепочка закручена наподобие винтовой лестницы.

Цепи в молекуле направлены противоположно друг от друга. Получается, если в одной цепи от 3"-конца к 5", то в другой цепи ориентация будет наоборот от 5"-конца к 3".

Принцип комплементарности

Две нити соединяются в молекулу азотистыми основаниями таким образом, что аденин имеет связь с тимином, а гуанин — только с цитозином. Последовательно расположенные нуклеотиды в одной цепи определяют другую. Это соответствие, лежащее в основе появления новых молекул в результате репликации или удвоения, стало называться комплементарностью.

Получается, что число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а гуаниловые равны количеству цитидиловых. Это соответствие стало называться «правилом Чаргаффа».

Репликация

Процесс самовоспроизведения, протекающий под контролем ферментов, является основным свойством ДНК.

Все начинается с раскручивания спирали благодаря ферменту ДНК-полимеразы. После разрыва водородных связей, в одной и в другой нитях синтезируется дочерняя цепь, материалом для которой выступают свободные нуклеотиды, имеющиеся в ядре.

Каждая цепь ДНК является матрицей для новой цепи. В результате из одной получаются две абсолютно идентичные материнской молекулы. При этом одна нить синтезируется сплошной, а другая сначала фрагментарно, лишь затем соединяясь.

Гены ДНК

Молекула несет в себе всю важную информацию о нуклеотидах, определяет расположение аминокислот в белках. ДНК человека и всех других организмов хранит сведения о его свойствах, передавая их потомкам.

Частью ее является ген — группа нуклеотидов, которая кодирует информацию о белке. Совокупность генов клетки образует ее генотип или геном.

Гены расположены на определенном участке ДНК. Они состоят из определенного числа нуклеотидов, которые расположены в последовательной комбинации. Имеется в виду то, что ген не может поменять свое место в молекуле, и он имеет совершенно конкретное число нуклеотидов. Их последовательность уникальна. Например, для получения адреналина используется один порядок, а для инсулина — другой.

Кроме генов, в ДНК располагаются некодирующие последовательности. Они регулируют работу генов, помогают хромосомам и отмечают начало и конец гена. Но сегодня остается неизвестной роль большинства из них.

Рибонуклеиновая кислота

Эта молекула во многом схожа с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Однако она не такая большая, как ДНК. И РНК также состоит из полимерных нуклеотидов четырех типов. Три из них сходны с ДНК, но вместо тимина в нее входит урацил (U или У). Кроме этого, РНК состоит из углевода — рибозы. Главным отличием служит то, что спираль этой молекулы является одинарной, в отличие от двойной в ДНК.

Функции РНК

В основе функций рибонуклеиновой кислоты лежат три различных вида РНК.

Информационная передает генетическую информацию от ДНК в цитоплазму ядра. Ее еще называют матричной. Это незамкнутая цепь, синтезирующаяся в ядре при помощи фермента РНК-полимеразы. Несмотря на то что в молекуле ее процентное содержание чрезвычайно низкое (от трех до пяти процентов клетки), на ней лежит важнейшая функция - являться матрицей для синтеза белков, информируя об их структуре с молекул ДНК. Один белок кодируется одной специфичной ДНК, поэтому их числовое значение равное.

Рибосомная в основном состоит из цитоплазматических гранул — рибосом. Р-РНК синтезируются в ядре. На их долю приходится примерно восемьдесят процентов всей клетки. Этот вид обладает сложной структурой, образовывая петли на комплементарных частях, что ведет к молекулярной самоорганизации в сложное тело. Среди них имеются три типа у прокариот, и четыре — у эукариот.

Транспортная действует в роли «адаптера», выстраивая в соответствующем порядке аминокислоты полипептидной цепи. В среднем, она состоит из восьмидесяти нуклеотидов. В клетке их содержится, как правило, почти пятнадцать процентов. Она предназначена переносить аминокислоты туда, где белок синтезируется. В клетке насчитывается от двадцати до шестидесяти типов транспортной РНК. У них всех — сходная организация в пространстве. Они приобретают структуру, которую называют клеверным листом.

Значение РНК и ДНК

Когда было открыто, что такое ДНК, ее роль не была такой очевидной. Даже сегодня, несмотря на то, что раскрыто намного больше информации, остаются без ответов некоторые вопросы. А какие-то, возможно, еще даже не сформулированы.

Общеизвестное биологическое значение ДНК и РНК заключаются в том, что ДНК передает наследственную информацию, а РНК участвует в синтезе белка и кодирует белковую структуру.

Однако существуют версии, что эта молекула связана с нашей духовной жизнью. Что такое ДНК человека в этом смысле? Она содержит всю информацию о нем, его жизнедеятельности и наследственности. Метафизики считают, что опыт прошлых жизней, восстановительные функции ДНК и даже энергия Высшего «Я» - Творца, Бога содержится в ней.

По их мнению, цепочки содержат коды, касающиеся всех аспектов жизни, включая и духовную часть. Но некоторая информация, например, о восстановлении своего тела, расположена в структуре кристалла многомерного пространства, находящегося вокруг ДНК. Она представляет собой двенадцатигранник и является памятью всей жизненной силы.

Ввиду того, что человек не обременяет себя духовными знаниями, обмен информации в ДНК с кристаллической оболочкой происходит очень медленно. У среднестатистического человека он составляет всего пятнадцать процентов.

Предполагается, что это было сделано специально для сокращения жизни человека и падения на уровень дуальности. Таким образом, у человека растет кармический долг, а на планете поддерживается необходимый для некоторых сущностей уровень вибрации.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.

Химический состав клетки
Тема:
«Нуклеиновые кислоты: ДНК
РНК. АТФ»
Задачи:
Дать характеристику нуклеиновым кислотам,
видам НК, локализации их в клетке, строению,
функциям.
Сформировать знания о строении и функциях
АТФ.

Нуклеиновые кислоты (НК)
К нуклеиновым кислотам относят
высокополимерные соединения,
образующие при гидролизе пуриновые и
пиримидиновые основания, пентозу и
фосфорную кислоту. Нуклеиновые
кислоты содержат С, Н, О, Р и N.
Различают два класса нуклеиновых
кислот: рибонуклеиновые кислоты
(РНК), содержащие сахар рибозу
(С5Н10О5) и дезоксирибонуклеиновые
кислоты (ДНК), содержащие сахар
дезоксирибозу (С5Н10О4).
Значение нуклеиновых кислот для живых организмов заключается в
обеспечении хранения, реализации и передачи наследственной
информации.
ДНК содержатся в ядре, митохондриях и хлоропластах – хранят
генетическую информацию. РНК – содержится еще и в цитоплазме и
отвечает за биосинтез белка.

Нуклеиновые кислоты (НК)
Молекулы ДНК являются полимерами,
мономерами которых являются
дезоксирибонуклеотиды, образованные
остатками:
1. Фосфорной кислоты;
2. Дезоксирибозы;
3. Азотистого основания (пуринового -
аденина, гуанина или пиримидинового -
тимина, цитозина).
Трехмерная модель пространственного
строения молекулы ДНК в виде двойной
спирали была предложена в 1953 г.
американским биологом Дж.Уотсоном и
английским физиком Ф.Криком. За свои
исследования они были удостоены
Нобелевской премии.

Нуклеиновые кислоты (НК)
Практически Дж.Уотсон и Ф.Крик раскрыли химическую структуру гена.
ДНК обеспечивает хранение, реализацию и передачу наследственной
информации.

Нуклеиновые кислоты (НК)
Э.Чаргафф, обследовав огромное
количество образцов тканей и
органов различных организмов,
выявил следующую
закономерность:
в любом фрагменте ДНК
содержание остатков гуанина
всегда точно соответствует
содержанию цитозина, а аденина
- тимину.
Это положение получило название
"правила Чаргаффа":
А+Г
А = Т; Г = Ц
или --- = 1
Ц+Т

Нуклеиновые кислоты (НК)
Дж.Уотсон и Ф.Крик
воспользовались этим правилом
при построении модели молекулы
ДНК. ДНК представляет собой
двойную спираль. Ее молекула
образована двумя
полинуклеотидными цепями,
спирально закрученными друг
около друга, и вместе вокруг
воображаемой оси.
Диаметр двойной спирали ДНК - 2
нм, шаг общей спирали, на который
приходится 10 пар нуклеотидов -
3,4 нм. Длина молекулы - до
нескольких сантиметров.
Молекулярный вес составляет
десятки и сотни миллионов. В ядре
клетки человека общая длина ДНК
около 1 - 2м.

Нуклеиновые кислоты (НК)
Азотистые основания имеют циклическую структуру, в состав
которой наряду с атомами углерода входят атомы других элементов,
в частности азота. За присутствие в этих соединениях атомов азота
они и получили название азотистых, а поскольку они обладают
щелочными свойствами - оснований. Азотистые основания
нуклеиновых кислот относятся к классам пиримидинов и пуринов.

Характеристика ДНК
В результате реакции конденсации
азотистого основания и дезоксирибозы
образуется нуклеозид.
При реакции конденсации между
нуклеозидом и фосфорной кислотой
образуется нуклеотид.
Названия нуклеотидов отличаются от
названий соответствующих оснований.
И те, и другие принято обозначать
заглавными буквами (А,Т,Г,Ц):
Аденин – адениловый; гуанин –
гуаниловый; цитозин – цитидиловый;
тимин – тимидиловый нуклеотиды.

Характеристика ДНК
Одна цепь нуклеотидов
образуется в результате
реакций конденсации
нуклеотидов.
При этом между 3"-углеродом
остатка сахара одного
нуклеотида и остатком
фосфорной кислоты другого
возникает фосфодиэфирная
связь.
В результате образуются
неразветвленные
полинуклеотидные цепи. Один
конец полинуклеотидной цепи
заканчивается 5"-углеродом (его
называют 5"-концом), другой –3"углеродом (3"-концом).

10.

Характеристика ДНК

11.

Характеристика ДНК
Против одной цепи нуклеотидов
располагается вторая цепь.
Полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК
удерживаются друг около друга
благодаря возникновению водородных
связей между азотистыми основаниями
нуклеотидов, располагающихся друг
против друга.
В основе лежит принцип комплементарного взаимодействия пар
оснований: против аденина - тимин на другой цепи, а против гуанина цитозин на другой, то есть аденин комплементарен тимину и между
ними две водородные связи, а гуанин - цитозину (три водородные
связи).
Комплементарностью называют способность нуклеотидов к
избирательному соединению друг с другом.

12.

Характеристика ДНК

13.

Характеристика ДНК
Цепи ДНК антипараллельны
(разнонаправлены), то есть против
3"-конца одной цепи находится 5"конец другой.
На периферию молекулы обращен
сахаро-фосфатный остов. Внутрь
молекулы обращены азотистые
основания.
Одним из уникальных свойств
молекулы ДНК является ее
репликация – способность к
самоудвоению - воспроизведению
точных копий исходной молекулы.

14.

15.

Репликация ДНК
Благодаря этой способности
молекулы ДНК, осуществляется
передача наследственной
информации от материнской клетки
дочерним во время деления.
Процесс самоудвоения молекулы
ДНК называют репликацией.
Репликация - сложный процесс,
идущий с участием ферментов
(ДНК-полимераз и других) и
дезоксирибонуклеозидтрифосфатов.
Репликация осуществляется
полуконсервативным способом, то
есть каждая цепь ДНК выступает в
роли матрицы, по принципу
комплементарности достраивается
новая цепь. Таким образом, в
каждой дочерней ДНК одна цепь
является материнской, а вторая -
вновь синтезированной.

16.

Репликация ДНК
В материнской ДНК цепи
антипараллельны. ДНКполимеразы способны
двигаться в одном
направлении - от 3"конца к 5"-концу, строя
дочернюю цепь
антипараллельно - от 5" к
3"-концу.
Поэтому ДНК-полимераза
непрерывно
передвигается в
направлении 3"→5" по
одной цепи, синтезируя
дочернюю. Эта цепь
называется лидирующей.

17.

Репликация ДНК
Другая ДНК-полимераза
движется по другой цепи в
обратную сторону (тоже в
направлении 3"→5"),
синтезируя вторую дочернюю
цепь фрагментами (их
называют фрагменты
Оказаки), которые после
завершения репликации
сшиваются лигазами в единую
цепь. Эта цепь называется
отстающей.
Таким образом, на цепи 3"-5"
репликация идет непрерывно,
а на цепи 5"-3" - прерывисто.

18.

19. Характеристика РНК

Молекулы РНК являются полимерами,
мономерами которых являются
рибонуклеотиды, образованные: остатком
пятиуглеродного сахара - рибозы; остатком
одного из азотистых оснований: пуриновых -
аденина, гуанина; пиримидиновых - урацил,
цитозина; остатком фосфорной кислоты.

20. Характеристика РНК

Молекула РНК представляет собой
неразветвленный полинуклеотид, который
может иметь первичную структуру –
последовательность нуклеотидов, вторичную
– образование петель за счет спаривания
комплементарных нуклеотидов, или
третичную структуру – образование
компактной структуры за счет
взаимодействия спирализованных участков
вторичной структуры.

21.

Характеристика РНК
В результате реакции конденсации азотистого основания с сахаром
рибозой образуется рибонуклеозид, при реакции конденсации
нуклеозида с фосфорной кислотой образуется рибонуклеотид.
Названия нуклеотидов: пуриновых (бициклических) – адениловый,
гуаниловый, пиримидиновых – уридиловый и цитидиловый.

22. Характеристика РНК

23.

Характеристика РНК
Нуклеотиды РНК при реакции
конденсации образуют
сложноэфирные связи, так
образуется полинуклеотидная
цепочка.

24. Характеристика РНК

В отличие от ДНК, молекула РНК обычно
образована не двумя, а одной
полинуклеотидной цепочкой. Однако ее
нуклеотиды также способны образовывать
водородные связи между собой, но это
внутри–, а не межцепочечные соединения
комплементарных нуклеотидов. Цепи РНК
значительно короче цепей ДНК.
Информация о структуре молекулы РНК
заложена в молекулах ДНК. Синтез молекул
РНК происходит на матрице ДНК с участием
ферментов РНК-полимераз и называется
транскрипцией. Если содержание ДНК в
клетке относительно постоянно, то
содержание РНК сильно колеблется.
Наибольшее количество РНК в клетках
наблюдается во время синтеза белка.

25.

Характеристика РНК

26. Характеристика РНК

Содержание РНК в любых
клетках в 5 – 10 раз превышает
содержание ДНК. Существует
три основных класса
рибонуклеиновых кислот:
Информационные
(матричные) РНК - иРНК (5%);
транспортные РНК - тРНК
(10%);
рибосомальные РНК - рРНК
(85%).
Все виды РНК обеспечивают
биосинтез белка.

27. Характеристика РНК

Информационная РНК.
Наиболее разнообразный по
размерам и стабильности
класс. Все они являются
переносчиками генетической
информации из ядра в
цитоплазму. Они служат
матрицей для синтеза
молекулы белка, т.к.
определяют аминокислотную
последовательность
первичной структуры
белковой молекулы.
На долю иРНК приходится до
5% от общего содержания
РНК в клетке, около 30 000
нуклеотидов.

28. Характеристика РНК

Транспортная РНК
Молекулы транспортных РНК содержат
обычно 76-85 нуклеотидов и имеют
третичную структуру, на долю тРНК
приходится до 10% от общего содержания
РНК в клетке.
Функции: они доставляют аминокислоты к
месту синтеза белка, в рибосомы.
В клетке содержится более 30 видов тРНК.
Каждый вид тРНК имеет характерную только
для него последовательность нуклеотидов.
Однако у всех молекул имеется несколько
внутримолекулярных комплементарных
участков, благодаря наличию которых все
тРНК имеют третичную структуру,
напоминающую по форме лист клевера.

29. Характеристика РНК

30. Характеристика РНК

Рибосомная РНК.
На долю рибосомальной РНК
(рРНК) приходится 80-85% от
общего содержания РНК в
клетке, состоят из 3 000 – 5 000
нуклеотидов.
Цитоплазматические рибосомы
содержат 4 разных молекулы
РНК. В малой субъединице одна
молекула, в большой – три
молекулы РНК. В рибосоме
около 100 белковых молекул.

31.

Характеристика АТФ
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) - универсальный переносчик
и основной аккумулятор энергии в живых клетках. АТФ содержится во
всех клетках растений и животных. Количество АТФ колеблется и в
среднем составляет 0,04% (на сырую массу клетки).

32.

Характеристика АТФ
В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после
ее образования. У человека количество АТФ, равное массе тела,
образуется и разрушается каждые 24 часа.

33.

Характеристика АТФ
АТФ представляет собой нуклеотид, образованный остатками
азотистого основания (аденина), сахара (рибозы) и фосфорной
кислоты. В отличие от других нуклеотидов, АТФ содержит не один, а
три остатка фосфорной кислоты.

34.

Характеристика АТФ
АТФ относится к макроэргическим веществам - веществам,
содержащим в своих связях большое количество энергии.
АТФ - нестабильная молекула: при гидролизе концевого остатка
фосфорной кислоты АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную
кислоту), при этом выделяется 30,6 кДж энергии.

35.

Характеристика АТФ
Распаду может подвергаться и АДФ с образованием АМФ
(аденозинмонофосфорная кислота). Выход свободной энергии при
отщеплении второго концевого остатка составляет около 30,6 кДж.

36.

Характеристика АТФ
Отщепление третьей фосфатной группы сопровождается
выделением только 13,8 кДж. Таким образом, АТФ имеет две
макроэргические связи.

В любой клетке нашего организма протекают миллионы биохимических реакций. Они катализируются множеством ферментов, которые зачастую требуют затрат энергии. Где же клетка ее берет? На этот вопрос можно ответить, если рассмотреть строение молекулы АТФ - одного из основных источников энергии.

АТФ - универсальный источник энергии

АТФ расшифровывается как аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота. Вещество является одним из двух наиболее важных источников энергии в любой клетке. Строение АТФ и биологическая роль тесно связаны. Большинство биохимических реакций может протекать только при участии молекул вещества, особенно это касается Однако АТФ редко непосредственно участвует в реакции: для протекания любого процесса нужна энергия, заключенная именно в аденозинтрифосфата.

Строение молекул вещества таково, что образующиеся связи между фосфатными группами несут огромное количество энергии. Поэтому такие связи также называются макроэргическими, или макроэнергетическими (макро=много, большое количество). Термин впервые ввел ученый Ф. Липман, и он же предложил использовать значок ̴ для их обозначения.

Очень важно для клетки поддерживать постоянный уровень содержания аденозинтрифосфата. Особенно это характерно для клеток мышечной ткани и нервных волокон, потому что они наиболее энергозависимы и для выполнения своих функций нуждаются в высоком содержании аденозинтрифосфата.

Строение молекулы АТФ

Аденозинтрифосфат состоит из трех элементов: рибозы, аденина и остатков

Рибоза - углевод, который относится к группе пентоз. Это значит, что в составе рибозы 5 атомов углерода, которые заключены в цикл. Рибоза соединяется с аденином β-N-гликозидной связь на 1-ом атоме углерода. Также к пентозе присоединяются остатки фосфорной кислоты на 5-ом атоме углерода.

Аденин - азотистое основание. В зависимости от того, какое азотистое основание присоединяется к рибозе, выделяют также ГТФ (гуанозинтрифосфат), ТТФ (тимидинтрифосфат), ЦТФ (цитидинтрифосфат) и УТФ (уридинтрифосфат). Все эти вещества схожи по строению с аденозинтрифосфатом и выполняют примерно такие же функции, однако они встречаются в клетке намного реже.

Остатки фосфорной кислоты . К рибозе может присоединиться максимально три остатка фосфорной кислоты. Если их два или только один, то соответственно вещество называется АДФ (дифосфат) или АМФ (монофосфат). Именно между фосфорными остатками заключены макроэнергетические связи, после разрыва которых высвобождается от 40 до 60 кДж энергии. Если разрываются две связи, выделяется 80, реже - 120 кДж энергии. При разрыве связи между рибозой и фосфорным остатком выделяется всего лишь 13,8 кДж, поэтому в молекуле трифосфата только две макроэргические связи (Р ̴ Р ̴ Р), а в молекуле АДФ - одна (Р ̴ Р).

Вот каковы особенности строения АТФ. По причине того, что между остатками фосфорной кислоты образуется макроэнергетическая связь, строение и функции АТФ связаны между собой.

Строение АТФ и биологическая роль молекулы. Дополнительные функции аденозинтрифосфата

Кроме энергетической, АТФ может выполнять множество других функций в клетке. Наряду с другими нуклеотидтрифосфатами трифосфат участвует в построении нуклеиновый кислот. В этом случае АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ и УТФ являются поставщиками азотистых оснований. Это свойство используется в процессах и транскрипции.

Также АТФ необходим для работы ионных каналов. Например, Na-K канал выкачивает 3 молекулы натрия из клетки и вкачивает 2 молекулы калия в клетку. Такой ток ионов нужен для поддержания положительного заряда на наружной поверхности мембраны, и только с помощью аденозинтрифосфата канал может функционировать. То же касается протонных и кальциевых каналов.

АТФ является предшественником вторичного мессенжера цАМФ (циклический аденозинмонофосфат) - цАМФ не только передает сигнал, полученный рецепторами мембраны клетки, но и является аллостерическим эффектором. Аллостерические эффекторы - это вещества, которые ускоряют или замедляют ферментативные реакции. Так, циклический аденозинтрифосфат ингибирует синтез фермента, который катализирует расщепление лактозы в клетках бактерии.

Сама молекула аденозинтрифосфата также может быть аллостерическим эффектором. Причем в подобных процессах антагонистом АТФ выступает АДФ: если трифосфат ускоряет реакцию, то дифосфат затормаживает, и наоборот. Таковы функции и строение АТФ.

Как образуется АТФ в клетке

Функции и строение АТФ таковы, что молекулы вещества быстро используются и разрушаются. Поэтому синтез трифосфата - это важный процесс образования энергии в клетке.

Выделяют три наиболее важных способа синтеза аденозинтрифосфата:

1. Субстратное фосфорилирование.

2. Окислительное фосфорилирование.

3. Фотофосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование основано на множественных реакциях, протекающих в цитоплазме клетки. Эти реакции получили название гликолиза - анаэробный этап В результате 1 цикла гликолиза из 1 молекулы глюкозы синтезируется две молекулы которые дальше используются для получения энергии, и также синтезируются два АТФ.

• С 6 Н 12 О 6 + 2АДФ + 2Фн --> 2С 3 Н 4 O 3 + 2АТФ + 4Н.

Дыхание клетки

Окислительное фосфорилирование - это образование аденозинтрифосфата путем передачи электронов по электронно-транспортной цепи мембраны. В результате такой передачи формируется градиент протонов на одной из сторон мембраны и с помощью белкового интегрального комплекта АТФ-синтазы идет построение молекул. Процесс протекает на мембране митохондрий.

Последовательность стадий гликолиза и окислительного фосфорилирования в митохондриях составляет общий процесс под названием дыхание. После полного цикла из 1 молекулы глюкозы в клетке образуется 36 молекул АТФ.

Фотофосфорилирование

Процесс фотофосфорилирования - это то же окислительное фосфорилирование лишь с одним отличием: реакции фотофосфорилирования протекают в хлоропластах клетки под действием света. АТФ образуется во время световой стадии фотосинтеза - основного процесса получения энергии у зеленых растений, водорослей и некоторых бактерий.

В процессе фотосинтеза все по той же электронно-транспортной цепи проходят электроны, в результате чего формируется протонный градиент. Концентрация протонов на одной из сторон мембраны является источником синтеза АТФ. Сборка молекул осуществляется посредством фермента АТФ-синтазы.

В среднестатистической клетке содержится 0,04% аденозинтрифосфата от всей массы. Однако самое большое значение наблюдается в мышечных клетках: 0,2-0,5%.

В клетке около 1 млрд молекул АТФ.

Каждая молекула живет не больше 1 минуты.

Одна молекула аденозинтрифосфата обновляется в день 2000-3000 раз.

В сумме за сутки организм человека синтезирует 40 кг аденозинтрифосфата, и в каждый момент времени запас АТФ составляет 250 г.

Заключение

Строение АТФ и биологическая роль его молекул тесно связаны. Вещество играет ключевую роль в процессах жизнедеятельности, ведь в макроэргических связях между фосфатными остатками содержится огромное количество энергии. Аденозинтрифосфат выполняет множество функций в клетке, и поэтому важно поддерживать постоянную концентрацию вещества. Распад и синтез идут с большой скоростью, т. к. энергия связей постоянно используется в биохимических реакциях. Это незаменимое вещество любой клетки организма. Вот, пожалуй, и все, что можно сказать о том, какое строение имеет АТФ.

Вспомните, что такое мономер и полимер. Какие вещества являются мономерами белков? Чем белки как полимеры отличаются от крахмала?

Нуклеиновые кислоты занимают особое место среди органических веществ клетки. Они впервые были выделены из ядер клеток, за что и получили свое название (от лат. нуклеус - ядро). Впоследствии нуклеиновые кислоты были обнаружены в цитоплазме и в некоторых других органоидах клетки. Но первоначальное название за ними сохранилось.

Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются полимерами, но их мономеры нуклеотиды имеют более сложное строение. Число нуклеотидов в цепи может достигать 30000. Нуклеиновые кислоты - наиболее высокомолекулярные органические вещества клетки.

Рис. 24. Строение и виды нуклеотидов

В клетках встречаются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Они различаются нуклеотидным составом, строением полинуклеотидной цепи, молекулярной массой и выполняемыми функциями.

Рис. 25. Полинуклеотидная цепь

Состав и строение ДНК. В состав нуклеотидов молекулы ДНК входят фосфорная кислота, углевод дезоксирибоза (с чем связано название ДНК) и азотистые основания - аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц) (рис. 24, 25).

Эти основания попарно соответствуют друг другу по строению (А = Т, Г = Ц) и могут легко соединяться при помощи водородных связей. Такие парные основания называют комплементарными (от лат. комплементум - дополнение).

Английские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. установили, что молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Остов цепи образован остатками фосфорной кислоты и дезоксирибозы, а азотистые основания направлены внутрь спирали (рис. 26, 27). Две цепи соединяются друг с другом благодаря водородным связям между комплементарными основаниями.

Рис. 26. Схема молекулы ДНК

В клетках молекулы ДНК находятся в ядре. Они образуют нити хроматина, а перед делением клетки спирализуются, соединяются с белками и превращаются в хромосомы. Кроме того, специфические ДНК имеются в митохондриях и хлоропластах.

ДНК в клетке отвечают за хранение и передачу наследственной информации. В ней закодирована информация о структуре всех белков организма. Число молекул ДНК служит генетическим признаком отдельного вида организма, а нуклеотидная последовательность специфична для каждого индивида.

Строение и виды РНК. В состав молекулы РНК входят фосфорная кислота, углевод - рибоза (отсюда название рибонуклеиновая кислота), азотистые основания: аденин (А), урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц). Вместо тимина здесь встречается урацил, который комплементарен аденину (А = У). Молекулы РНК, в отличие от ДНК, состоят из одной полинуклеотидной цепи (рис. 25), которая может иметь прямые и спиральные участки, образовывать с помощью водородных связей петли между комплементарными основаниями. Молекулярная масса РНК значительно ниже, чем ДНК.

В клетках молекулы РНК находятся в ядре, цитоплазме, хлоропластах, митохондриях и рибосомах. Различают три вида РНК, которые имеют разные молекулярную массу, форму молекул и выполняют разные функции.

Информационные РНК (иРНК) переносят информацию о структуре белка от ДНК к месту его синтеза на рибосомах. Каждая молекула иРНК содержит полную информацию, необходимую для синтеза одной молекулы белка. Из всех видов РНК самые крупные иРНК.

Рис. 27. Двойная спираль молекулы ДНК (объемная модель)

Транспортные РНК (тРНК) - самые короткие молекулы. Их структура напоминает по форме клеверный лист (рис. 62). Они транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка на рибосомы.

Рибосомальные РНК (рРНК) составляют более 80% всей массы РНК в клетке и вместе с белками входят в состав рибосом.

АТФ. Кроме полинуклеотидных цепей в клетке находятся мононуклеотиды, имеющие тот же состав и строение, что и нуклеотиды, входящие в состав ДНК и РНК. Наиболее важным из них является АТФ - аденозинтрифосфат.

Молекула АТФ состоит из рибозы, аденина и трех остатков фосфорной кислоты, между которыми имеются две высокоэнергетические связи (рис. 28). Энергия каждой из них составляет 30,6 кДж/моль. Поэтому ее и называют макроэргической в отличие от простой связи, энергия которой составляет около 13 кДж/моль. При отщеплении от молекулы АТФ одного или двух остатков фосфорной кислоты образуется соответственно молекула АДФ (адено-зиндифосфат) или АМФ (аденозинмонофосфат). При этом выделяется энергии в два с половиной раза больше, чем при расщеплении других органических веществ.

Рис. 28. Строение молекулы аленозинтрифосфата (АТФ) и ее роль в превращении энергии

АТФ является ключевым веществом обменных процессов в клетке и универсальным источником энергии. Синтез молекул АТФ происходит в митохондриях, хлоропластах. Энергия запасается в результате реакций окисления органических веществ и аккумуляции солнечной энергии. Клетка использует эту запасенную энергию во всех процессах жизнедеятельности.

Упражнения по пройденному материалу

1. Что является мономером нуклеиновых кислот? Из каких компонентов он состоит?
2. Чем нуклеиновые кислоты, как полимеры, отличаются от белков?
3. Что такое комплементирность? Назовите ком племен тарные основания. Какие связи образуются между ними?
4. Какую роль в живых телах природы играют молекулы РНК?
5. Функцию АТФ в клетке иногда сравнивают с аккумулятором или батарейкой. Объясните смысл такого сравнения.