Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Андерсон - Нова програма

§ 20. Нуклеїнові кислоти та їхня біологічна роль. АТФ

Що таке біополімер?

Які органічні речовини забезпечують збереження та реалізацію спадкової інформації?

Ріст і розвиток усіх організмів визначаються й контролюються генетичною програмою. Ви вже знаєте, що спадкова інформація зберігається в структурі молекул ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти). Інші молекули - РНК (рибонуклеїнові кислоти) - беруть участь у реалізації цієї інформації, а саме в біосинтезі білка та його регуляції. Обидва зазначені типи молекул належать до нуклеїнових кислот.

Нуклеїнові кислоти - біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Нуклеотиди - це органічні речовини, що складаються з трьох хімічних компонентів, сполучених ковалентними зв’язками: моносахариду (пентози), ортофосфатної кислоти та нітрогеновмісної основи - речовини з циклічною будовою молекули.

Різноманітність нуклеотидів. Усі нуклеотиди містять однакові залишки ортофосфатної кислоти, а різняться вони вуглеводними компонентами та нітрогеновмісними основами. Моносахаридами, що входять до складу нуклеотидів, можуть бути рибоза або дезоксирибоза. Нуклеотиди з рибозою утворюють молекули РНК, з дезоксирибозою - ДНК. Нітрогеновмісні основи, які можуть входити до складу нуклеотидів, називають аденіном, тиміном, урацилом, цитозином та гуаніном. Скорочено їх позначають першими літерами назв речовин: А, Т, У, Ц, Г (рис. 93).

Рис. 93. Будова молекули нуклеотиду (залишок моносахариду позначено синім кольором, залишок ортофосфатної кислоти - жовтим, залишок нітрогеновмісної основи - зеленим)

Прочитайте опис зображеного нуклеотиду: «Містить залишок ортофосфатної кислоти, вуглеводу рибози та нітрогеновмісної основи аденіну». До складу нуклеїнової кислоти якого типу він може входити?

Нуклеотиди здатні взаємодіяти один з одним, формуючи довгі ланцюги. Міцний ковалентний зв’язок утворюється між гідроксильною групою вуглеводу одного нуклеотиду та гідроксильною групою ортофосфатної кислоти іншого нуклеотиду. Унаслідок цього утворена сполука буде містити з одного боку залишок ортофосфатної кислоти, а з іншого - моносахариду, а тому може взаємодіяти з іншим нуклеотидом. Найбільша молекула ДНК клітин людини містить послідовно майже 250 млн нуклеотидів. Якщо цю молекулу розгорнути, її довжина становитиме 85 мм (пригадайте розміри клітини).

Послідовність «літер» нітрогеновмісних основ і є основою коду, яким записано інформацію в молекулах ДНК і РНК. Як він «працює», ми розглянемо згодом, а тепер визначимо особливості будови цих речовин.

Молекула ДНК. Молекулу ДНК можна уявити як подвійну спіраль: вона складається з двох ланцюгів, що закручені один навколо одного. Нуклеотиди обох ланцюгів розташовані так, що нітрогеновмісні основи одного ланцюга містяться напроти нітрогеновмісних основ іншого, утворюючи пари. Між основами виникають слабкі водневі зв’язки. Незважаючи на слабкість, велика їх кількість (сотні тисяч і мільйони) зумовлює те, що обидва ланцюги міцно тримаються разом. Основи взаємодіють між собою так, що напроти А першого ланцюга завжди розташовується Т другого, а напроти Г - завжди Ц. Така відповідність у розташуванні нуклеотидів називається комплементарністю (рис. 94).

Ця закономірність має важливе значення для забезпечення процесів копіювання молекул ДНК та переписування з них інформації на молекули РНК. Водночас така особливість будови молекули ДНК зумовлює те, що структура першого ланцюга комплементарно повторює структуру другого, тобто за послідовністю одного з них може відновлюватися послідовність іншого в разі його руйнування. Це важливо для захисту молекули ДНК від пошкоджень унаслідок негативних хімічних або фізичних впливів.

Рис. 94. Модель молекули ДНК - подвійна спіраль. Фрагмент молекули

Полічіть кількість водневих зв’язків, що утворюються між комплементарними нуклеотидами зображеного фрагмента молекули ДНК.

Отже, така будова молекули ДНК забезпечує виконання своєї основної функції - збереження спадкової інформації. У клітинах, які мають ядра, молекули ДНК зв’язані з білками, що називаються гістонами.

Молекула РНК. Молекули РНК клітин прокаріотів та еукаріотів складаються з одного ланцюга. Існують три основні типи РНК, які різняться місцем розташування в клітині, структурою та функціями в біосинтезі білка. Інформаційна, або матрична, РНК (ІРНК, або мРНК) переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга. Транспортна РНК (тРНК), що поміж усіх молекул РНК має найменші розміри (складається з 70-90 нуклеотидів), транспортує амінокислоти до місця синтезу білкових молекул. РибосомнаРНК (рРНК) входить до складу особливих органел клітини - рибосом, які забезпечують синтез білкової молекули. Бувають й інші типи РНК.

Ядерна ДНК зберігається в ядрі, там же синтезуються молекули РНК. Далі РНК транспортуються з ядра в цитоплазму, де синтезуються білки. Наводимо порівняльну таблицю двох типів нуклеїнових кислот (табл. 1).

Інші функції нуклеотидів. АТФ. Деякі нуклеотиди функціонують у клітинах не лише як мономери нуклеїнових кислот, а мають додаткові, самостійні функції.

Найголовнішим з таких нуклеотидів є АТФ (аденозинтрифосфат). Цей нуклеотид складається з аденіну, рибози та трьох залишків ортофосфатної кислоти. Особливістю будови цієї молекули є те, що для приєднання наступних залишків ортофосфатної кислоти потрібно набагато більше енергії, ніж на приєднання першого - так у клітинах накопичується енергія (рис. 95). Від синтезованої молекули АТФ шляхом гідролізу відщеплюється третій залишок ортофосфатної кислоти, накопичена енергія вивільняється й використовується для перебігу різноманітних процесів (синтез чи розклад хімічних речовин, зміну їхньої структури, здійснення рухів тощо).

Таблиця 1.

Порівняння нуклеїнових кислот

Особливості будови та локалізація в клітині

ДНК

РНК

Кількість ланцюгів

2

1

Нуклеотидний склад полімеру

(назва нуклеотиду надається за назвою нітрогеновмісної основи)

(А) Аденіловий

(Г) Гуаніловий

(Т) Тимідиловий

(Ц) Цитидиловий

(А) Аденіловий

(Г) Гуаніловий

(У) Урациловий

(Ц) Цитидиловий

Речовини, що утворюють нуклеотид

Нітрогеновмісна основа

Ортофосфатна кислота

Вуглевод - дезоксирибоза

Нітрогеновмісна основа

Ортофосфатна кислота

Вуглевод - рибоза

Локалізація в еукаріотичній клітині

Ядро

Хлоропласти

Мітохондрії

Ядро

Цитоплазма

Рибосоми

Хлоропласти

Мітохондрії

Рівняння такої реакції:

АТФ + Н2O -> АДФ +Н3РO4 + Е (50 кДж/моль), де АДФ - аденозиндифосфатна кислота; Е - енергія, що виділяється.

Утворена АДФ може далі розщеплюватися до аденозинмонофосфатної кислоти (АМФ), але під час цієї реакції вивільняється менше енергії (~33-42 кДж/моль). АМФ є звичайним РНК-нуклеотидом, що не зберігає великої кількості енергії.

АТФ - це молекула, що є універсальним внутрішньоклітинним переносником енергії.

Молекули АТФ можуть утворюватися за рахунок енергії, яка виділяється в реакціях безкисневого розщеплення глюкози або окиснення органічних речовин у мітохондріях, за рахунок енергії світла під час фотосинтезу тощо. Розщеплення АТФ відбувається завжди, коли клітині потрібна енергія для здійснення певної реакції.

Крім АТФ, у клітинах «працюють» й інші нуклеотиди. До них належать нікотинамідаденіндинуклеотид (НАД) та нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (НАДФ) (назви наведено не для запам’ятовування). Ці нуклеотиди переносять хімічні речовини і є важливими для роботи мітохондрій і фотосинтезу. У хлоропластах рослинних клітин НАДФ відновлюється під час світлових реакцій фотосинтезу і потім забезпечує Гідрогеном біосинтез вуглеводів упродовж темнової фази.

Рис. 95. Структурна формула молекули АТФ

1. Дайте означення поняття нуклеїнові кислоти.

2. Опишіть будову нуклеотиду.

3. Що таке принцип комплементарності?

4. Порівняйте будову молекул ДНК і РНК.

5. Чому АТФ називають акумулятором енергії в клітині?