Нуклеиновые кислоты Научный руководитель: Научный руководитель: Лебединская Е.М. Лебединская Е.М. Подготовил: студент группы Т-1 Панкратов Дмитрий Подготовил: - презентация

1 Нуклеиновые кислоты Научный руководитель: Научный руководитель: Лебединская Е.М. Лебединская Е.М. Подготовил: студент группы Т-1 Панкратов Дмитрий Подготовил: студент группы Т-1 Панкратов Дмитрий

2

3 Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные соединения (биополимеры), макромолекулы Которых состоят из мононуклеотидов. Таким образом, нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами. Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в 1868г. швейцарским химиком Ф.Мишером в клеточном ядре. Относительная молекулярная масса нуклеиновых кислот варьируется от 10 4 до При полном гидролизе Н.К. получают два набора продуктов гидролиза. 1.Фосфорная кислота, дезоксирибоза, два пуриновых основания(аденин и гуанин) и два пиримидиновых основания(цитозин и тимин) 2.Фосфорная кислота, рибоза, два пуриновых основания(аденин и гуанин) и два пиримидиновых основания(цитозин и урацил). Продуктами полного гидролиза нуклеиновых кислот являются гетероциклические азотистые основания, углеводы (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота, следовательно, остатки этих соединений являются структурными компонентами нуклеиновых кислот. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДАФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДАФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДАФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДА КОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВКОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВКОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВКОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВ ДНКДНКДНК РНКРНКРНК АТФАТФАТФ Возврат в меню Следующий слайд Предыдущий слайд Выход

4 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ В 1869 году, когда Ф. Мишер выделил из ядер клеток особое вещество, обладавшее кислыми свойствами и названное им нуклеином. Нуклеин содержал большое количество фосфора. В 1889 году Альтман ввёл термин – нуклеиновая кислота. Начиная с 1879 года А. Коссель стал проводить свои исследования по химии нуклеина. Он показал, что в его состав кроме фосфорной кислоты входят пурины и пиримидины (азотистые основания), а также углеводные компоненты. Было обнаружено четыре азотистых оснований: два пурина – аденин и гуанин и два пиримидина – тимин и цитозин. В 1924 году Р. Фельген разработал методы цитологического распознавания ДНК и РНК. Оказалось, что фуксин избирательно связывается с ДНК. Ранее считалось, что ДНК свойственна только животным клеткам. Фельген обнаружил ДНК в ядрах клеток растений. Он цитологически показал, что ДНК локализирует в ядрах клеток, а РНК – в цитоплазме. В 1936 году А. Н. Белозёрским и Н. И. Дубровской ДНК в чистом виде была выделена из ядер растений. В 1934 году Т. Касперссон, используя специфику поглощения ДНК ультрафиолетового цвета, показал связь молекул ДНК с хромосомами. Хаймарстен и Касперссон обнаружили, что молекулы ДНК обладают большим молекулярным весом, превышающим вес молекул белка. В это же время В. Стэнли, Ф. Боуден и Н. Пири, исследуя растительные вирусы, пришли к заключению, что все вирусы содержат нуклеиновую кислоту. В свете этого они считали возможным придать нуклеиновым кислотам значение генетического материала. Эти открытия стимулировали глубокий интерес к молекулам ДНК и их генетической роли.

5 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ В 1947 году Э. Чаргафф обнаружил, что разные виды организмов характеризуются разным количественным соотношением пуриновых и пиримидиновых оснований. Это указывало на принципиально новое и важное положение, гласившее, что генетическая специфичность может быть связана с составом нуклеотидов в молекуле ДНК. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, опираясь на данные Чаргаффа, на материал рентгеноструктурного анализа, на принципы теории гена в роль аналитических данных, создали модель макромолекулярной структуру ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, взаимно обвитых одна вокруг другой. Таким образом, модель Уотсона-Крика открыла путь к исследованию важнейших генетических явлений. Вторым важнейшим открытием Э. Чаргаффа было обнаружение, что соотношение азотистых оснований в молекуле ДНК не случайно. Оказалось, что в данной выборке ДНК количество тиминов равно количеству аденинов, а количество гуанинов равно количеству цитозинов

6 ТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) Рибонуклеиновые кислоты (РНК) Различия в строении 1. Содержат остатки дезоксирибозы 1. Содержат остатки рибозы 2. Содержат остатки азотистых оснований А,Г,Ц,Т 2. Содержат остатки азотистых оснований А,Г,Ц,У 3. Как правило представляют собой двухцепочечные молекулы 3. В большинстве случаев одноцепочные молекулы Роль в живых организмах Хранит и передает генетическую информацию Копируют генетическую информацию; переносят ее к месту синтеза белка; участвуют в процессе синтеза белка Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой (т.е. определенной последовательностью нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи) и трехмерной (пространственной) структурой. Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой (т.е. определенной последовательностью нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи) и трехмерной (пространственной) структурой. Существует три типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты) и АТФ (аденозинтрифосфат). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.

7 ФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДА Остаток углевода Остаток углевода Остаток ортофос- форной кислоты Остаток ортофос- форной кислоты Остаток углевода Остаток углевода Остаток ортофос- форной кислоты Остаток ортофос- форной кислоты Остаток углевода Остаток углевода Остаток ортофос- форной кислоты Остаток ортофос- форной кислоты Остаток гетероцик- лического азотистого основания Остаток гетероцик- лического азотистого основания Остаток гетероцик- лического азотистого основания Остаток гетероцик- лического азотистого основания Остаток гетероцик- лического азотистого основания Остаток гетероцик- лического азотистого основания Структурное звено полинуклеотида – остаток мононуклеотида(состоит из трех компонентов)

8 1. Гетероциклические азотистые основания 2. Углеводные компоненты Углеводы, входящие в состав нуклеотидов, содержат 5 атомов углерода(пентозы). Это β - рибоза C 5 H 10 O 5 и β - дезоксирибоза С 5 H 10 O 4 в циклической форме. 3. Ортофосфорная кислота Нуклеиновые кислоты являются многоосновными кислотами, потому что в их молекулах содержатся остатки ортофосфорной кислоты C 3 PO 4. Схема образования полинуклеотида: OH HO-P=O OH p y N + p y N + …….. p y N p y N p y N …….. + nH 2 O поликонденсация гидролиз мононуклеотиды полинуклеотид Пуриновые основания Пиримидиновые основания Нуклеозиды Нуклеотиды КОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

9 ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ -производные пиримидина – шестичленного гетероцикла, содержащего 2 атома азота. Для пиримидиновых оснований, содержащих в молекулах ОН – группы, характерна кето- енольная (лактамлактимная) таутомерия, связанная с миграцией протона между атомами азота и кислорода. Енольные формы содержат гидроксильные группы – ОН и двойные связи у одних и тех же атомов углерода в цикле пиримидина. Кето – формы содержат атомы кислорода, связанные двойной связью с атомами углерода в цикле пиримидина. В состав нуклеиновых кислот пиримидиновые основания входят в кето – формах.

10 ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ- производные пурина, который представляет собой конденсированный гетероцикл, состоящий из цикла пиримидина и цикла имидазола. ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

11 НУКЛЕОЗИДЫ - это двухкомпонентные системы, состоящие из углеводных остатков и азотистых оснований, связанных β- гликозидной связью, которая образуется между атомами С (1) углевода и N (9) в пуриновых или N (1) в пиримидиновых азотистых основаниях. НУКЛЕОЗИДЫНУКЛЕОЗИДЫ

12 НУКЛЕОТИДЫ – это фосфаты нуклеозидов, т.е. сложные эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты. НУКЛЕОТИДЫНУКЛЕОТИДЫ

13 ДНК ДНК Английские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. предложили пространственную модель молекулы ДНК. Согласно этой модели, макромолекула ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Азотистые основания располагаются внутри спирали. На 1 виток спирали приходится, как правило, 10 нуклеотидов. Цепи выстраиваются в противоположных направлениях и удерживаются вместе водородными связями, образующимися между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи образуются лишь между определенными основаниями: А = Т (соединены двумя водородными связями); Г = Ц (соединены тремя водородными связями). Такие пары оснований называются комплементарными парами. Таким образом, вторичная структура ДНК это двойная спираль, образующаяся за счет водородных связей между комплементарными парами гетероциклических оснований. длина молекулы ДНК хромосомы человека достигает 8 см, но умещается в хромосоме длиной в несколько нано метров. Это объясняется тем, что двухцепочечная спираль ДНК в пространстве укладывается в еще более сложную кольцевую форму, или суперспираль. Генетическая информация, необходимая для управления синтезом белков со строго определенной структурой, закодирована нуклеотидной последовательностью цепи ДНК. В ДНК содержится всего 4 основания (А, Г, Ц, Т), кодирующей единицей для каждой аминокислоты белка являются триплет (код из трех оснований), всего возможны вариантов б4(4 3 = 64). Это более чем достаточно для кодирования 20 различных аминокислот входящих в состав белков. СТРОЕНИЕСТРОЕНИЕСТРОЕНИЕ ФУНКЦИИФУНКЦИИФУНКЦИИ

14 ДНК.СТРОЕНИЕДНК.СТРОЕНИЕ ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды 4 типов: А, Т, Г и Ц; все они построены на основе сахара дезоксирибозы. Повторяться внутри ДНК нуклеотиды могут бесчисленное количество раз: 23 молекулы ДНК человека, например, содержат в себе более 3 млрд. пар нуклеотидов! ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды 4 типов: А, Т, Г и Ц; все они построены на основе сахара дезоксирибозы. Повторяться внутри ДНК нуклеотиды могут бесчисленное количество раз: 23 молекулы ДНК человека, например, содержат в себе более 3 млрд. пар нуклеотидов! Каждая из цепей ДНК является линейным полимером, в котором нуклеотиды последовательно соединены друг с другом при помощи ковалентной фосфодиэфирной связи, которая образует между молекулой сахара, одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого нуклеотида.

15 Образующаяся в результате цепочка имеет гигантскую длину – десятки и сотни миллионов нуклеотидов и вес Она столь велика, что молекулу ДНК видно в световой микроскоп в виде хромосомы. В отличие от остальных веществ клетки, ДНК представляет собой двухцепочную молекулу, в которой обе цепи прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов. Цепи ДНК ориентированы строго определённым образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм). В отличие от остальных веществ клетки, ДНК представляет собой двухцепочную молекулу, в которой обе цепи прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов. Цепи ДНК ориентированы строго определённым образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм). ДНК.СТРОЕНИЕДНК.СТРОЕНИЕ

16 В результате такого пространственного расположения между азотистыми основаниями двух нуклеотидов, расположенных друг напротив друга в обеих цепях, возникают нековалентные водородные связи. Это слабые связи, однако за счёт большого количества они прочно связывают обе цепи. В результате такого пространственного расположения между азотистыми основаниями двух нуклеотидов, расположенных друг напротив друга в обеих цепях, возникают нековалентные водородные связи. Это слабые связи, однако за счёт большого количества они прочно связывают обе цепи. В 1949 году Э. Чаргафф опубликовал работы о закономерностях количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК, позже они были названы правилами Чаргаффа. Одно из них гласит, что количество аденинов А равно количеству тиминов Т, а количество гуанинов Г – цитозинов Ц, то есть А=Т, Г=Ц. Основанием этого правила является следующий факт. Структура азотистых оснований такова, что из всех возможных взаимодействий их друг с другом энергетически и пространственно осуществляется одно-единственное, то есть определённое азотистое основание может взаимодействовать с одним единственным типом азотистых оснований. В 1949 году Э. Чаргафф опубликовал работы о закономерностях количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК, позже они были названы правилами Чаргаффа. Одно из них гласит, что количество аденинов А равно количеству тиминов Т, а количество гуанинов Г – цитозинов Ц, то есть А=Т, Г=Ц. Основанием этого правила является следующий факт. Структура азотистых оснований такова, что из всех возможных взаимодействий их друг с другом энергетически и пространственно осуществляется одно-единственное, то есть определённое азотистое основание может взаимодействовать с одним единственным типом азотистых оснований. ДНК.СТРОЕНИЕДНК.СТРОЕНИЕ

17 Оказалось, что А может взаимодействовать только с Т, но не с А, Г или Ц. Т взаимодействует только с А, Г – только с Ц, а Ц – только с Г. Такое избирательное взаимодействие нуклеотидов друг с другом называют принципом комплементарности, а сами нуклеотиды – комплементарными. Говорят, что А комплементарен Т, а Г комплементарен Ц. Принцип комплементарности имеет огромное значения для строения и функционирования нуклеиновых кислот. Оказалось, что А может взаимодействовать только с Т, но не с А, Г или Ц. Т взаимодействует только с А, Г – только с Ц, а Ц – только с Г. Такое избирательное взаимодействие нуклеотидов друг с другом называют принципом комплементарности, а сами нуклеотиды – комплементарными. Говорят, что А комплементарен Т, а Г комплементарен Ц. Принцип комплементарности имеет огромное значения для строения и функционирования нуклеиновых кислот. Поскольку нуклеотиды взаимодействуют друг с другом по принципу комплементарности, то существует строгая закономерность расположения обоих нуклеотидов в обеих цепях. Напротив А одной цепи находится Т в другой, а напротив Г стоит Ц, и наоборот. Поэтому, зная последовательность нуклеотидов одной цепи всегда можно точно знать нуклеотидную последовательность второй цепи. Поскольку нуклеотиды взаимодействуют друг с другом по принципу комплементарности, то существует строгая закономерность расположения обоих нуклеотидов в обеих цепях. Напротив А одной цепи находится Т в другой, а напротив Г стоит Ц, и наоборот. Поэтому, зная последовательность нуклеотидов одной цепи всегда можно точно знать нуклеотидную последовательность второй цепи. ДНК.СТРОЕНИЕДНК.СТРОЕНИЕ

18 ДНК.ФУНКЦИИДНК.ФУНКЦИИ Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать. Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

19 РНК. СТРОЕНИЕ Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Тем не менее имеется ряд существенных отличий. В состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит сахар рибоза. Основание тимин замещено на урацил. Главное отличие от ДНК состоит в том, что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за этого химически РНК менее стабильна, чем ДНК: вводных растворах РНК быстрее подвергается расщеплению. Поэтому РНК менее подходит для долговременного хранения информации. Макромолекула РНК, как правило, представляет собой одну полинуклеотидную цепь, принимающую различные пространственные формы, в том числе и спиралеобразные.

20 Однако её нуклеотиды также способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК), но это внутри,- а не межцепочечное соединение комплементарных нуклеотидов. Устойчивых комплексов с другими молекулами РНК или ДНК в норме РНК не образует. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК. У небольшой группы вирусов носителем генетической информации является двухцепочная РНК, которая заменяет ДНК остальных живых организмов. Это единственный пример стабильного РНК-РНК комплекса. РНК обнаружено также в цитоплазме. РНК. СТРОЕНИЕ

21 АТФАТФ Роль нуклеотидов в организмах не ограничивается тем, что они являются мономерам нуклеиновых кислот. Например, молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) содержит остатки аденина, рибозы и фосфорной кислоты, т. е. по своему составу также является нуклеотидом. Существенное отличие АТФ от нуклеотида нуклеиновых кислот состоит в том, что вместо одного остатка фосфорной кислоты в АТФ содержится три таких остатка: Главной функцией АТФ является хранение, перенос и выделение энергии, необходимой для протекания любых реакций. Все процессы в клетке, которые обеспечивают её энергией, в конечном счёте приводят к образованию АТФ из АДФ и фосфата (или из АМФ и двух фосфатов).

22 При окислении белков, углеводов и жиров, поступающих в организм с пищей, выделяется энергия, которая аккумулируется в АТФ, т. е. накапливается в процессе превращения аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) и аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) в АТФ: За счет обратной реакции (гидролиза АТФ) АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 +40 кДж/моль запасенная в макроэргических связях энергия выделяется и используется живыми организмами на энергетические процессы: сокращение мышц, биосинтез белка, поддержание температуры тела у теплокровных животных и т. д. Таким образом, АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки. АТФ – достаточно стабильное соединение, он способен перемещаться по всей клетке, «храня в себе» запас энергии. В том месте, где она необходима, АТФ расщепляется и выделяет «порцию» энергии. Образуется АТФ преимущественно в митохондриях. АТФ является универсальным переносчиком энергии. Все живые организмы Земли используют его. Существуют и другие макроэргические связи и другие макроэрги, но только АТФ является «всеобщей энергетической валютой», которую «признают» все химические процессы. АТФАТФ