НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Дидактическое пособие по биологии для 10 класса для 10 класса Автор: Белоусов Д.Л., учитель МОУ «Лицей 13»

Фридрих Мишер Открытие нуклеиновых кислот связано с работой Фридриха Мишера, который в 1869 г. обнаружил в ядрах клеток фосфорсодержащее вещество, не разрушающееся протеолитичес- кими ферментами. Он назвал это вещество «нуклеин», а позднее свободный от белка остаток «нуклеина» был назван им «нуклеиновой кислотой» Открытие нуклеиновых кислот связано с работой Фридриха Мишера, который в 1869 г. обнаружил в ядрах клеток фосфорсодержащее вещество, не разрушающееся протеолитичес- кими ферментами. Он назвал это вещество «нуклеин», а позднее свободный от белка остаток «нуклеина» был назван им «нуклеиновой кислотой» В конце 19 века Альбрехт Коссель путем гидролиза выделил мономеры нуклеиновых кислот: аденин и гуанин, а чуть позже – тимин и цитозин В конце 19 века Альбрехт Коссель путем гидролиза выделил мономеры нуклеиновых кислот: аденин и гуанин, а чуть позже – тимин и цитозин

В начале 20 века Петр Левен (США) установил, что в состав НК входят углеводы, азотистые основания и остаток фосфорной кислоты, которые соединены вместе в виде нуклеотида. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: -азотистого основания ( А, Г, Т, Ц – ДНК; А, Г, У, Ц – РНК) -углевода (дезоксирибоза или рибоза) -остатка фосфорной кислоты. -Различие в названиях нуклеиновых кислот объясняется тем, что молекула ДНК содержит углевод дезоксирибозу, а молекула РНК – рибозу.

Нуклеотиды

Петр Левин установил, что НК являются полимерами, мономерами которых являются «нуклеотиды», соединенные между собой в цепь фосфодиэфирными связями 3 - 5'. К пуриновым основаниям нуклеотидов относятся: аденин и гуанин, а к пиримидиновым – тимин, урацил (РНК) и цитозин.

Эрвин Чаргафф Эрвин Чаргафф в гг. установил соотношение азотистых оснований в ДНК (правило Чаргаффа): 1.Число молекул А = Т, а Ц = Г. 2. Количество пуринов = количеству пиримидинов. 3. количество оснований с 6- аминогруппой = количеству оснований с 6-кетогруппами. Однако объяснить эту странность он не мог.

Правила Чаргаффа

Розалинда Франклин Создание модели ДНК было подготовлено работами английских биофизика Мориса Уилкинса и биохимика Розалинды Франклин, которые получили высококачест- венные рентгенограммы ДНК, позволившие увидеть четкий крестообразный рисунок – знак двойной спирали. Они установили, что нуклеотиды располагаются друг от друга на расстоянии 0,34 нм и на один виток приходится 10 нуклеотидов, а диаметр ДНК равен 2 нм.

Рентгеновский снимок двойной спирали ДНК

Джеймс Уотсон (п) и Френсис Крик (л) у построенной ими модели ДНК Модель ДНК создана в 1953г. американским биологом Джеймсом Уотсоном и английским физиком Френсисом Криком. Изучив все данные о структуре ДНК, они пришли к выводы, что углеводно- фосфатная часть нуклеотидов находится на периферии, а азотистые основания – в середине и между основаниями разных цепей образуются водородные связи.

При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. При этом обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина – цитозин, и наоборот. Пары нуклеотидов аденин и тимин, а также гуанин и цитозин строго соответствуют друг другу и являются комплементарными друг другу. Между аденином и тимином всегда возникает две, а между гуанином и цитозином – три водородные связи. У всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых – числу цитидиловых. А = Т Г = Ц

Молекула ДНК имеет сложное строение. Она состоит из двух спирально закрученных нитей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе цепи свиты вместе, образуя двойную спираль. Шаг спирали составляет 3,4 нм (по 10 пар оснований в витке), а диаметр витка – 2 нм. Фосфатные группировки находятся снаружи спирали, а азотистые основания – внутри.

Двойная цепь

ОБРАЗОВАНИЕ ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ Цепи, будучи полярными, являются антипараллельными: и Синтез второй цепи происходит за счет присоединения компле- ментарных нуклеозид- трифосфатов. Энергия, полученная от отщепления двух остатков фосфорной кислоты, идет на образования диэфирной и водородной связей.

Ген – матрица для синтеза и-РНК, а и-РНК матрица для синтеза белка. Матричный характер реакций самоудвоения молекул ДНК, синтеза и-РНК, белка – основа передачи наследственной информации от гена к признаку, которая определятся молекулами белка. Многообразие белков, их специфичность, многофункциональность – основа формирования различных признаков у организма, реализации заложенных в генах наследственной информации. Наследственная информация передается путем репликации (самоудвоения) молекулы ДНК. В основе действия гена в процессе развития организма лежит его способность через посредство РНК определять синтез белков. ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА БИОЛОГИИ

Георгий Гамов Постановка проблемы генетического кода и теоретическое рассмотрение некоторых возможных его вариантов принадлежит Георгию Гамову (США). В 1954 г. он предположил, что 20 аминокислот могут быть закодированы триплетами (кодонами)- 3 нуклеотидами из 4 возможных. Всего таких кодов может быть (4х4х4) = 64, поэтому одну аминокислоту могут кодировать несколько кодонов.

Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи Окончательную расшифровку генетического кода (соответствие между кодоном и аминокислотой) осуществили американские биохимики М. Ниренберг и Г. Маттеи. В 1961 г. они становили, что 20 аминокислот кодируют 61 триплет, а 3 т.н. «стоп-кодоны» определяют окончание синтеза полипептидной цепи. Кодон АУГ определяет начало синтеза полипептидной цепи.

Для расшифровки генетического кода первую букву триплета находят в левом вертикальном столбце, вторую букву – в верхней горизонтальной строке, а третью букву в правом вертикальном столбце. На пересечении линий, идущих от всех трех нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

Набор хромосом в клетках дрозофилы Поскольку в соматических клетках организма содержится двойной (диплоидный) набор гомологичных хромосом по одному от каждой родительской особи, следовательно, и генов, определяющих развитие каждого признака в клетке, по два. Они располагаются в строго определенных участках гомологичных хромосом – локусах. Гены, ответственные за развитие какого-то признака и лежащие в одних и тех же локусах гомологичных хромосом, называются аллельными или аллелью. Наследственная структура ДНК ДНК ген (участок мол. ДНК, содержащий информацию о строении одного белка) Триплет (кодон) – три нуклеотида кодируют одну аминокислоту (АУГ – метионин, ГЦУ – аланин и т.д.)

РНК (рибонуклеиновая кислота ) Молекула РНК в отличие от ДНК представляет собой одиночную цепочку нуклеотидов, которая значительно короче, чем ДНК. Однако общая масса в клетке больше, чем ДНК. Молекулы РНК имеются в ядре ив цитоплазме. Известны три основных типа РНК: информационные – иРНК; рибосомные – рРНК; транспортные – тРНК, которые различаются формой, размерами и функциями молекул. Главная их функция – участие в биосинтезе белка. Схема строения нуклеотидов РНК Молекула РНК, как и молекула ДНК, состоит из четырех типов нуклеотидов, три из которых содержат такие же азотистые основания, как и нуклеотиды ДНК (А, Г, Ц). Однако в состав РНК вместо азотистого основания тимина входит другое азотистое основание – урацил (У).Таким образом, в состав нуклеотидов молекулы РНК входят азотистые основания: А, Г, Ц, У. Кроме того, вместо углевода дезоксирибозы в состав РНК входит рибоза.

Две модели тРНК

Сравнительная характеристика ДНК и РНК Признаки Признаки ДНК ДНК РНК РНК Местонахождение Ядро, митохондрии, хлоропласты Ядрышко, рибосомы, цитоплазма, митохондрии, пластиды Строение Двойная правозакру- ченная спираль Одинарная цепочка Углевод мономера ДезоксирибозаРибоза Типы нуклеотидов Аденин (А), Гуанин (Г), Тимин (Т), Цитозин (Ц). Аденин (А), Гуанин (Г), Урацил (У), Цитозин (Ц) Свойства Способна к самоудвоению, стабильна Лабильна, не способна к самоудвоению Функция Химическая основа гена, синтез ДНК и РНК Информационная (и РНК), Рибосомная (р РНК), Транспортная (т РНК)

АТФ ( аденозинтрифосфорная кислота) В клетках всех организмов имеются молекулы АТФ. АТФ – универсальное химическое энергетическое вещество Молекула АТФ – это нуклеотид, состоящий из азотистого основания- аденина, углевода – рибозы и трех остатков молекул фосфорной кислоты. Каждая молекула АТФ содержит две макроэргические связи. При разрыве макроэргической связи и отщеплении с помощью ферментов одной молекулы фосфорной кислоты, освобождается 40 кДж, а АТФ при этом превращается в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту. При отщеплении еще одной молекулы фосфорной кислоты освобождается еще 40 кДж; образуется АМФ – аденозинмонофосфорная кислота. Эти реакции обратимы, то есть АМФ может превращаться в АДФ, а АДФ – в АТФ.