Химический состав клетки. Нуклеиновые кислоты и АТФ

На этой странице вы узнаете

• Что общего у реакций матричного синтеза и вязания крючком?
• Может ли характер передаваться по наследству? 
• Сколько килограмм энергии в организме человека?

Вы когда-нибудь задумывались, почему у одних людей глаза голубые, а у других — карие? Почему все мы имеем разный цвет волос, тембр голоса, рост? Все эти и многие другие особенности человеческого организма кодируются в молекулах ДНК, которой посвящена наша статья.

Нуклеиновые кислоты

«Нуклеус» в переводе с латинского означает «ядро». То есть, изначально под нуклеиновыми кислотами подразумевались только те, что содержатся в ядре. Но после прочтения этой статьи, вы убедитесь, что они могут находиться не только там.

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из нуклеотидов.

Нуклеотид — это мономер нуклеиновой кислоты, который состоит из трех частей:

• азотистого основания,
• пентозы,
• остатка фосфорной кислоты.

Строение нуклеотида 

Азотистые основания — циклические органические вещества, имеющие в цикле атом азота. К ним относятся аденин, тимин, урацил, гуанин и цитозин. 

Для того чтобы кратко записать последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте, обычно используют первые буквы названий этих азотистых оснований. Цепочка при этом имеет такой вид: АГТЦЦЦАТ.

Какими бывают азотистые основания?

Азотистые основания могут быть пуриновыми или пиримидиновыми. Эти названия даются им в зависимости от строения цикла, входящего в их состав. О структуре этих циклов подробнее рассказывают на курсе биохимии в университете. Для сдачи экзамена по биологии нам достаточно знать, какие основания относятся к каждой из групп.

Пентоза — пятиуглеродный моносахарид. 

О сахарах можно подробнее прочитать в статье «Химический состав клетки. Углеводы и липиды». 

В состав нуклеотида могут входить 2 моносахарида: рибоза и дезоксирибоза. Если в состав нуклеиновой кислоты входит рибоза, то ее называют рибонуклеиновой кислотой (РНК), если дезоксирибоза — дезоксирибонуклеиновой (ДНК).

Остаток фосфорной кислоты — это кислотный остаток, полученный путем отщепления ОН-группы от фосфорной кислоты. 

Чтобы запомнить, как он выглядит, проведем небольшое математическое вычисление: H₃PO₄ – OH^— = H₂PO₃⁺.

Мы выяснили, что существуют нуклеиновые кислоты двух типов:

• РНК,
• ДНК.

Давайте разберем их отличия.

Дезоксирибонуклеиновая кислота

ДНК — нуклеиновая кислота, которая кодирует наследственную информацию и сохраняет ее. 

У эукариотических (ядерных) организмов ДНК имеет линейную форму и находится в ядре. У прокариот ДНК похожа на кольцо, она располагается в нуклеоиде — специфической зоне в цитоплазме клетки. 

Итак, ДНК — это двухцепочечная молекула. Прочитав это определение, вы, вероятно, зададитесь вопросом: каким образом две цепочки могут удержаться вместе в составе одной молекулы? Ответ прост — две цепи в ДНК скрепляются водородными связями, которые возникают между нуклеотидами разных цепей.

Причем возникают эти связи далеко не в случайном порядке. В основе формирования двухцепочечной молекулы ДНК лежит принцип комплЕментарности (не путаем с комплИментом, но можете запомнить ассоциацию). Рассмотрим, как он работает.

Строение ДНК 

При этом между аденином и тимином возникает 2 водородные связи, а между цитозином и гуанином — 3. 

Водородные связи в составе ДНК 

Эта информация понадобится нам в дальнейшем для решения задач. Разберем одну из них.

Задача. Одна из цепей ДНК имеет следующую последовательность: АТГЦАТ. Сколько водородных связей содержится в молекуле?

Решение. Чтобы узнать количество связей, нам нужно сначала посчитать количество гуанина с цитозином — их всего 2 — и аденина и с тимином — их 4. Между аденином и тимином связи двойные (будем умножать на 2), а между цитозином и гуанином — тройные (будем умножать на 3). Количество водородных связей в молекуле: 

4*2+2*3=14

Из принципа комплементарности можно вывести правило Чаргаффа: 

Количество нуклеотидов с аденином в молекуле ДНК равно количеству нуклеотидов с тимином. А количество нуклеотидов с цитозином равно количеству нуклеотидов с гуанином. 

Иными словами, А=Т, Ц=Г.

Еще одно правило, которое пригодится нам для того, чтобы понимать, как устроена молекула ДНК, — принцип антипараллельности. 

Две цепочки ДНК антипараллельны друг другу, то есть имеют разные направления. Там, где находится 5’-конец первой цепи, располагается 3’-конец второй цепочки.

Мы с вами разобрали принципы, по которым строится молекула ДНК. Теперь изучим, где она находится и какие функции выполняет. 

Зачем ДНК нужна клетке? 

У эукариот ДНК находится в хромосомах, она наматывается на белки-гистоны, как нитка на катушку. В молекулах ДНК содержится генетическая информация, именно они определяют нашу внешность, физические способности и даже привычки. 

Первая цепь ДНК называется смысловой (или нематричной, кодирующей). Вторая цепь, комплементарная ей, называется транскрибируемой (или матричной) — именно с нее начинается процесс реализации наследственной информации (синтеза белков). Второе название транскрибируемой цепи «матричная» происходит от слова «матрица», это значит, что именно эта цепь является основой для синтеза РНК.

Репликация — процесс синтеза транскрибируемой цепи ДНК, самоудвоение ДНК. 

При репликации из одной молекулы ДНК образуются две. При этом первая цепь ДНК синтезируется полностью с 5′- к 3′-концу, а вторая достраивается кусочками — фрагментами Оказаки. Поэтому она синтезируется медленнее. 

Как происходит репликация? 

1. Фермент ДНК-хеликаза, будто ножницами, разрезает молекулу ДНК. 
2. Образуется 2 одноцепочечных кончика.
3. Фермент ДНК-полимераза достраивает новые цепи ДНК и соединяет их между собой. 
4. Вот и все! Две новые цепочки — это и есть молодая молекула ДНК. 

Строение ДНК 

В ДНК есть кодирующие (несущие информацию о структуре белков) и некодирующие участки. Первые называют экзонами, а вторые — интронами. Запомнить эти термины можно следующим образом: «интер» означает «внутри», «между». 

Таким образом, интроны находятся между кодирующими участками, будто пустые страницы в наполовину заполненном блокноте. Несмотря на то, что интроны не кодируют наследственную информацию, они очень важны: они регулируют процессы экспрессии генов. 

Экспрессия — процесс реализации наследственной информации, то есть ее перенос из молекулы ДНК в молекулу белка.

Рибонуклеиновые кислоты

Представьте, что клетка — это большой завод по производству белка. Главный офис этого завода — ядро с начальником в виде ДНК. Именно там хранится вся важная информация о структуре белков. РНК — это своеобразные помощники ДНК. Именно они направляют информацию на рибосомы — в рабочие цеха, поставляют им сырье (аминокислоты).

В зависимости от выполняемых функций различают РНК трех типов:

• информационная, 
• рибосомальная, 
• транспортная. 

Главная задача информационной РНК — перенести наследственную информацию к рибосоме. Для этого перед синтезом белка в ядре происходит передача информации. Этот процесс называется транскрипцией. 

Транскрипция — процесс синтеза РНК на ДНК-матрице. 

Рибосомная РНК находится в рибосомах. Это тот самый работник цеха, который занимается непосредственно сборкой белковой молекулы. 

Транспортная РНК в нашей метафоре — поставщик сырья. Эти молекулы приносят аминокислоты к рибосоме. тРНК отличается от остальных рибонуклеиновых кислот по форме — она похожа на лист клевера и имеет 3 «выпячивания». Аминокислота крепится к центральной выпуклости — акцепторному концу тРНК. 

Строение транспортной РНК 

Аденозинтрифосфат

Аденозинтрифосфат (сокращенно АТФ) — универсальный источник энергии живых организмов. 

Это соединение очень важно для любой живой клетки: в нем запасается энергия, которая может использоваться позднее для различных процессов жизнедеятельности. А энергии живым организмам нужно много. Только вдумайтесь, энергия тратится даже на то, чтобы переварить пищу и получить новую «порцию» жизненных сил. 

Разберем строение молекулы АТФ. 

Молекула АТФ состоит из трех частей:

• азотистого основания — аденина, 
• пятиуглеродного моносахарида — рибозы, 
• трех остатков фосфорной кислоты. 

Строение аденозинтрифосфата 

Какие особенности строения позволяют АТФ запасать большое количество энергии? 

Секрет молекулы АТФ в том, что в ней целых 3 остатка фосфорной кислоты. При отщеплении каждого остатка выделяется 40 кДж энергии! Это очень много: даже самые энергетически ценные органические соединения — жиры — дают при полном окислении всего 38,9 кДж. 

Связи, в которых заключена энергия молекулы АТФ, называются макроэргическими. Рассмотрим, как происходит расщепление остатка фосфорной кислоты от молекулы АТФ. 

Механизм расщепления молекулы АТФ 

Фактчек

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из нуклеотидов.
• Нуклеотид — это мономер нуклеиновой кислоты, который состоит из трех частей: азотистого основания, пентозы, остатка фосфорной кислоты.
• ДНК — нуклеиновая кислота, которая кодирует наследственную информацию и сохраняет ее. 
• Репликация — процесс синтеза транскрибируемой цепи ДНК, самоудвоение ДНК. 
• Транскрипция — процесс синтеза РНК на ДНК-матрице. 
• Аденозинтрифосфат (сокращенно АТФ) — универсальный источник энергии живых организмов. 

Проверь себя

Задание 1.

Как называется процесс синтеза иРНК на ДНК-матрице? 

1. репликация
2. транскрипция
3. трансляция
4. элонгация

Задание 2.

Одна из цепей ДНК имеет следующий вид: АТГЦЦГ. Определите количество водородных связей в молекуле.

1. 10
2. 12
3. 14
4. 16

Задание 3.

Сколько нуклеотидов с тимином в молекуле ДНК, которая содержит 15 нуклеотидов с аденином? 

1. 15
2. 10
3. 30
4. 45

Задание 4.

Какую функцию в клетке выполняет рРНК? 

1. Перенос наследственной информации к рибосоме.
2. Сборка белковой молекулы.
3. Перенос аминокислот к месту синтеза белка.
4. Упаковка и транспорт готовой белковой молекулы.

Задание 5.

За счет чего молекула АТФ является уникальным источником энергии живых клеток?

1. наличие липидной основы
2. макроэргические связи
3. циклическая структура аденина
4. наличие кислорода в составе рибозы

Ответы: 1. — 2; 2. — 4; 3. — 1; 4. — 2; 5. — 2.