Нуклеиновые кислоты в живых организмах

Мононуклеотиды

Мононуклеотид состоит из одного азотистого основания — пуринового (аденин — А, гуанин — Г) или пиримидинового (цитозин — Ц, тимин — Т, урацил — У), сахара-пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и 1-3 остатков фосфорной кислоты.

В зависимости от числа фосфатных групп различают моно-, ди-и трифосфаты нуклеотидов, например аденозинмонофосфат — АМФ, гуанозиндифосфат — ГДФ, уридинтрифосфат — УТФ, тимидинтрифосфат — ТТФ и т.д.

Функции мононуклеотидов:

  1. строительная (структурная) — наиболее важная роль нуклеотидов состоит в том, что они служат строительными блоками для сборки полинуклеотидов: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота);
  2. энергетическая — АТФ является универсальным переносчиком и хранителем энергии в клетке, участвует как источник энергии почти во всех внутриклеточных реакциях;
  3. транспортная — производные нуклеотидов служат переносчиками некоторых химических групп, например НАД (никотинамидадениндинуклеотида) и ФАД (флавинадениндинуклеотид) — переносчики атомов водорода.

Полинуклеотиды (нуклеиновые кислоты)

Это полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Существуют два типа нуклеиновые кислот: ДНК и РНК. В состав нуклеотидов ДНК и РНК входят следующие компоненты:

  1. азотистое основание (в ДНК: аденин, гуанин, цитозин и тимин; в РНК: аденин, гуанин, цитозин и урацил);
  2. сахар-пентоза (в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза);
  3. остаток фосфорной кислоты.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — линейный полимер, состоящий из четырех типов мономеров: нуклеотидов А, Т, Г и Ц, связанных друг с другом ковалентной связью через остатки фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей (двойная спираль). При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Эти пары азотистых оснований называют комплементарными. В молекуле ДНК они всегда расположены друг против друга. Цепи в молекуле ДНК противоположно направлены. Пространственная структура молекулы ДНК была установлена в 1953 г. Д. Уотсоном и Ф. Криком.

Связываясь с белками, молекула ДНК образует хромосому. Хромосома — комплекс одной молекулы ДНК с белками. Молекулы ДНК эукариотических организмов (грибов, растений и животных) линейны, незамкнуты, связаны с белками, образуют хромосомы. У прокариот (бактерий) ДНК замкнута в кольцо, не связана с белками, не образует линейную хромосому.

Функции ДНК:

  • хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации;
  • ДНК определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

РНК (рибонуклеиновая кислота) в отличие от ДНК вместо дезоксирибозы содержит рибозу, а вместо тимина — урацил. РНК, как правило, имеют лишь одну цепь, более короткую, чем цепи ДНК. Двуцепочечные РНК встречаются у некоторых вирусов.

Существуют разные виды РНК:

  1. информационная (матричная) РНК —  иРНК (мРНК). Имеет незамкнутую цепь. Служит в качестве матриц для синтеза белков, перенося информацию об их структуре с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму;
  2. транспортная РНК — тРНК. Доставляет аминокислоты к синтезируемой молекуле белка. Молекула тРНК состоит из 70-90 нуклеотидов и благодаря внутрицепочечным комплементарным взаимодействиям приобретает характерную вторичную структуру в виде «клеверного листа»;
  3. рибосомальная РНК — рРНК. В комплексе с рибосомными белками образует рибосомы — органоиды, на которых происходит синтез белка.

В клетке на долю мРНК приходится около 5%, тРНК — около 10%, и рРНК — около 85% всей клеточной РНК.

Функции РНК: участие в биосинтезе белков.

Самоудвоение ДНК

Молекулы ДНК обладают способностью, неприсущей ни одной другой молекуле — способностью к удвоению. Процесс удвоения молекул ДНК называется репликацией. В основе репликации лежит принцип комплементарности — образование водородных связей между нуклеотидами А и Т, Г и Ц.

Этот процесс осуществляют ферменты ДНК-полимеразы. Под их воздействием цепи молекулы ДНК разделяются на небольшом отрезке молекулы. На цепи материнской молекулы достраиваются дочерние цепи. Затем расплетается новый отрезок, и цикл репликации повторяется. В результате образуются дочерние молекулы ДНК, ничем не отличающиеся друг от друга и от материнской молекулы. В процессе деления клетки дочерние молекулы ДНК распределяются между образующимися клетками. Так осуществляется передача информации из поколения в поколение.

Под действием различных факторов внешней среды (ультрафиолетового излучения, различных химических веществ) молекула ДНК может повреждаться. Происходят разрывы цепей, ошибочные замены азотистых оснований нуклеотидов и др. Кроме того, изменения в ДНК могут происходить самопроизвольно, например, в результате рекомбинации — обмена фрагментами ДНК. Произошедшие изменения в наследственной информации также передаются потомству.

В некоторых случаях молекулы ДНК способны «исправлять» возникающие в ее цепях изменения. Эта способность называется репарацией. В восстановлении исходной структуры ДНК участвуют белки, которые узнают измененные участки ДНК и удаляют их из цепи, тем самым восстанавливая правильную последовательность нуклеотидов, сшивая восстановленный фрагмент с остальной молекулой ДНК.

Сравнительная характеристика ДНК и РНК приведена в таблице:

Сравнительная характеристика ДНК и РНК
Признак ДНК РНК
Местонахождение в клетке Ядро, митохондрии, пластиды. Цитоплазма у прокариот Ядро, митохондрии, рибосомы, цитоплазма, хлоропласты
Местонахождение в ядре Хромосомы Кариоплазма, ядрышко (рРНК)
Строение макромолекулы Двуцепочечный (как правило) линейный полинуклеотид, свернутый правозакрученной спиралью, с водородными связями между двумя цепями Одноцепочечный (как правило) полинуклеотид. Некоторые вирусы имеют двуцепочечную РНК
Мономеры Дезоксирибонуклеотиды Рибонуклеотиды
Состав нуклеотида Азотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — тимин, цитозин); углевод (дезоксирибоза); остаток фосфорной кислоты Азотистое основание (пуриновое — аденин, гуанин, пиримидиновое — урацил, цитозин); углевод (рибоза); остаток фосфорной кислоты
Типы нуклеотидов Адениловый (А), гуаниловый (Г), тимидиловый (Т), цитидиловый (Ц) Адениловый (А), гуаниловый (Г), уридиловый (У), цитидиловый (Ц)
Свойства Способна к самоудвоению (репликации) по принципу комплементарности: А=Т, Т=А, Г=Ц, Ц=Г. Стабильна Не способна к самоудвоению. Лабильна. Генетическая РНК вирусов способна к репликации
Функции Химическая основа хромосомного генетического материала (гена); синтез ДНК; синтез РНК; информация о структуре белков Информационная (иPHК) переносит информацию о структуре белка с молекулы ДНК к рибосомам в цитоплазму; транспортная (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) входит в состав рибосом; митохондриальная и пластидная входят в состав рибосом этих органелл
Обновлено: 18.10.2014 — 7:15 пп