Органічні речовини клітини: нуклеїнові кислоти і АТФ
Історія відкриття та вивчення нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти виконують функції збереження і передачі спадкової інформації. Ось чому вони відіграють надзвичайно важливу роль у віємо живому світі. Нуклеїнові кислоти являють собою генетичний матеріал всіх живих організмів. Це складні сполуки, молекули яких крупніше більшості білків і містять атоми вуглецю, кисню, водню, азоту і фосфору.
Вперше нуклеїнові кислоти виділив з ядер клітин швейцарський біохімік Ф. Мішер в 1862 р Назва “нуклеїнові кислоти” пояснюється тим, що вони володіють кислотними властивостями і, як тоді вважали, містяться тільки в ядрі клітини (від лат. Nucleus – ядро). Згодом вони були виявлені у всіх клітинах живих організмів і навіть у неклітинних форм життя – вірусів.
Протягом кількох десятиліть після відкриття Ф. Мішера вчені різних країн інтенсивно вивчали особливості будови і властивості нуклеїнових кислот. Через багато років, в 1944 р, американський мікробіолог О. Ейвері встановив, що нуклеїнові кислоти відповідають за зберігання та передачу спадкової інформації. Виявилося, що в природі існують нуклеїнові кислоти двох типів – ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) і РНК (рибонуклеїнова кислота).
Нуклеїнові кислоти являють собою лінійні нерегулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди.
Дані рентгенограми ДНК переконливо свідчили на користь її спіральної структури. Вивчення хімічного складу і структури ДНК дозволило американському біохіміку Е. Чаргаффу в 1950 р визначити, що в ДНК присутні тільки чотири види азотистих основ: аденін, гуанін, тимін, цитозин. Він сформулював закономірність, згідно з якою кількість пар основ “аденін – гуанін” в ДНК дорівнює кількості пар основ “цитозин – тимін”.
Узагальнивши всі дані, накопичені в науці, американський біохімік Дж. Уотсон і англійський фізик Ф. Крик в 1953 р розшифрували структуру ДНК, створивши її просторову модель.
Модель Дж. Уотсона і Ф. Кріка показала, що ДНК – це носій закодованої спадкової інформації, і вона здатна точно її відтворювати. За своє відкриття Дж. Уотсон і Ф. Крик були удостоєні в 1962 р Нобелівської премії.
Таким чином, 1953 рік став вважатися роком народження нової науки – молекулярної біології, що досліджує прояв життя на молекулярному рівні: будову і функції нуклеїнових кислот і білків, механізми зберігання, передачі та реалізації спадкової інформації.
Молекулярна біологія тісно пов’язана з біохімією, біофізики, генетикою і мікробіологією. Ця порівняно молода наука в даний час інтенсивно розвивається.
Будова і функції ДНК. Молекула ДНК характеризується великими розмірами і великою молекулярною масою. Вона являє собою два ланцюги. Ці ланцюги закручені вправо навколо спільної уявної осі і утворюють подвійну спіраль. Мономерами молекул ДНК є нуклеотиди, тому можна вважати, що кожна ланцюг – це полинуклеотид.
Кожен нуклеотид ДНК складається з азотистої основи, вуглеводу дезоксирибози і залишку фосфорної кислоти (рис. 2).
Існують чотири типи нуклеотидів ДНК, що розрізняються азотистими підставами. Кожен нуклеотид може містити лише одне азотна основа: аденін (А), гуанін (Г), цитозин (Ц), тимін (Т).
З’єднання нуклеотидів в полімерну ланцюг відбувається завдяки утворенню міцної ковалентного зв’язку між дезоксирибозою одного нуклеотиду і залишком фосфорної кислоти іншого, що надає стабільність всієї полінуклеотидних ланцюга (див. Рис. 2).
Дві полінуклеотидні ланцюга з’єднуються між собою за принципом комплементарності. Комплементарність означає взаємне хімічне і геометрична відповідність, що забезпечує зв’язок доповнюють один одного структур. Комплементарними парами в молекулі ДНК є нуклеотиди, що містять аденін (А) – тимін (Т); гуанін (Г) – цитозин (Ц). Між комплементарними азотистими підставами, які у різних ланцюгах ДНК, виникають водневі зв’язки: в парі А-Т – дві зв’язки, в парі Г-Ц – три зв’язку.
ДНК в комплексі з білками утворює хроматин. Перед початком поділу клітини ланцюга хроматину в ядрах клітин, багаторазово згорнувшись у суперспирали, формуються в видимі під світловим мікроскопом структури – хромосоми. Внаслідок цього початкова довжина ДНК, що досягає декількох десятків сантиметрів, зменшується до декількох мікрометрів (див. Рис. 2).
В інтерфазі перед поділом клітини відбувається реплікація (самоудвоение) ДНК. Сутність процесу реплікації полягає в тому, що під впливом спеціальних ферментів водневі зв’язки між комплементарними азотистими підставами розриваються, і подвійна полинуклеотидная спіраль ДНК починає розкручуватися з одного кінця, і на кожному ланцюзі синтезується нова ланцюг. Іншими словами, на матриці (зразок, за яким формується копія) кожної з звільнилася полінуклеотидних ланцюга ДНК збирається нова ланцюг з вільних нуклеотидів, що знаходяться в навколишньому її середовищі, за принципом комплементарності (рис. 3).
У кожній утворилася дочірньої молекулі ДНК один ланцюг материнська, інша – знову синтезована. Дочірні ДНК є точною копією один одного і одночасно копією материнської молекули ДНК. Таким чином, послідовність одного ланцюга визначає послідовність інший. Цей ферментативний процес йде з використанням енергії АТФ.
Крім ядра, власну ДНК містять такі клітинні органели, як мітохондрії і пластиди. Ядерна ДНК являє собою лінійну молекулу, а ДНК, що знаходиться в пластидах і мітохондріях, має кільцеву структуру і не утворює комплексів з білками.
Структура і функції РНК. Будова молекул рибонуклеїнової кислоти (РНК) багато в чому схоже з будовою молекул ДНК. РНК також являє собою полинуклеотид, але її молекула одноцепочечная. Мономером РНК є нуклеотид. Однак нуклеотиди, що утворюють молекулу РНК, дещо відрізняються від нуклеотидів ДНК: замість вуглеводу дезоксирибози до їх складу входить рибоза, а замість азотистого підстави тиміну (Т) – близьке за будовою азотна основа урацил (У).
У клітці міститься кілька видів РНК. Молекули рибосомальної РНК (рРНК) в комплексі з білками утворюють рибосоми. Транспортні РНК (тРНК) переносять амінокислоти до місця синтезу білка – до рибосом. Третій вид РНК – матрична РНК (мРНК). Це найбільш різноманітна за розмірами і структурі група молекул РНК; мРНК служить матрицею для складання білкових молекул на рибосомах. Всі мРНК об’єднані загальною функцією: вони беруть участь у передачі закодованої спадкової інформації з ядра в цитоплазму, на рибосоми (до місця синтезу білкових молекул).
Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). За хімічною структурою АТФ – нуклеотид, що відноситься до групи нуклеїнових кислот. Як відомо, нуклеотиди служать мономерами нуклеїнових кислот, проте деякі нуклеотиди виконують і інші функції. Наприклад, нуклеотид АТФ (аденозинтрифосфат) поставляє енергію для більшості хімічних реакцій, що протікають в живій клітині.
Молекула АТФ включає ланцюжок з трьох залишків фосфорної кислоти, приєднаних до рибозе, яка, в свою чергу, з’єднана з азотистих основ аденін (рис. 4). З’єднання аденина з рибозой утворює аденозин, звідси і назва – аденозинтрифосфорная кислота.
У молекулі АТФ два крайніх залишку фосфорної кислоти з’єднані макроергічним зв’язком (позначається символом ~). Даний зв’язок характеризується тим, що при її розриві виділяється велика кількість енергії (приблизно в 4 рази більше, ніж при розщепленні інших зв’язків). Макроергічні зв’язку нестійкі. АТФ легко піддається гідролізу. При отщеплении однієї молекули фосфорної кислоти АТФ переходить в АДФ (аденозіндіфосфорная кислота), а при отщеплении двох молекул фосфорної кислоти АТФ перетворюється в АМФ (аденозинмонофосфорной кислота). Реакції відщеплення кожної молекули фосфорної кислоти супроводжуються звільненням енергії (38 кДж / моль). Приєднання залишків фосфорної кислоти до АМФ і АДФ супроводжується накопиченням енергії в утворюється молекулі АТФ.
АТФ має важливе біологічне значення, оскільки слугує універсальним джерелом енергії в клітині. Синтез АТФ відбувається в основному в мітохондріях клітини. З мітохондрій АТФ надходить у різні ділянки клітини, забезпечуючи енергією всі процеси життєдіяльності: фотосинтез, біосинтез (наприклад, реплікація ДНК, синтез білка, біохімічні перетворення речовин), рух, проведення нервових імпульсів та ін.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)