Підручник з Біології. 9 клас. Межжерін - Нова програма

§ 7. Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди

Терміни й поняття: нуклеїнові кислоти, нуклеотиди, азотисті основи, макроергічні зв'язки, аденозинтрифосфорна кислота (АТФ), дезоксирибоза, дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), рибоза, рибонуклеїнова кислота (РНК), рибосоми, генетична інформація.

Нуклеїнові (від лат. нуклеус — ядро) кислоти — це біологічні полімери, до складу яких, окрім найбільш поширених у клітинах живих організмів елементів (С, Н, О, N), неодмінно входить Фосфор (Р). Нуклеїнові кислоти переважно зосереджені в ядрі клітини, де їх уперше виявили. Із цим пов’язане походження їх назви. Вони обов’язково містяться в клітинах усіх живих організмів.

Мономери нуклеїнових кислот. Мономерами, або структурними одиницями нуклеїнових кислот, є нуклеотиди. До складу молекули нуклеотиду входять:

• азотиста основа — речовина зі складною циклічною структурою молекули;

• п'ятикарбоновий цукор (рибоза чи дезоксирибоза);

• залишок ортофосфатної кислоти (Н3РO4), наявність якого визначає кислотні властивості нуклеотиду (іл. 7.1).

Усього до складу нуклеїнових кислот входять п’ять видів нуклеотидів, що отримали назви відповідно до вмісту в них нітратних основ (табл. 2).

Іл. 7.1. Схема будови нуклеотиду

Полінуклеотидний ланцюг та його будова. Нуклеотид, що складається з однієї нітратної основи, однієї молекули п’ятикарбонового цукру та одного залишку ортофосфатної кислоти, називають мононуклеотидом. Мононуклеотиди, так само як амінокислоти та моносахариди, можуть реагувати між собою, утворюючи полімерні сполуки — полінуклеотиди. Перебіг такої реакції супроводжується виділенням молекули води та утворенням міцного етерного зв'язку.

Таблиця 2.

Азотиста основа

Назва нуклеотиду

Позначення

Аденін

аденіловий

А

Гуанін

гуаніловий

Г

Тимін

тимідиловий

Т

Урацил

уридиловий

У

Цитозин

цитидиловий

Ц

Речовиною, що сполучає нуклеотиди, є залишок ортофосфатної кислоти, що скріплює цукри сусідніх нуклеотидів, у такий спосіб формуючи полінуклеотид, який зазвичай називають нуклеїновою кислотою (іл. 7.2). Ця сполука може містити від кількох сотень до кількох мільйонів нуклеотидів, що залежить від типу молекули. Полінуклеотиди мають чітку лінійну структуру ланцюга. Маса нуклеїнових кислот зазвичай значно більша від маси білків.

Типи нуклеїнових кислот. За молекулами вуглеводів, а також за складом нітратних основ нуклеїнові кислоти поділяють на два типи: ДНК та РНК.

Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). До складу її нуклеотиду входять: цукор дезоксирибоза, чотири типи азотистих основ (аденін, гуанін, тимін та цитозин), а також залишок ортофосфатної кислоти.

У клітинах рослин, тварин та грибів ДНК зосереджена в ядрі, її практично немає в цитоплазмі клітини. Цей тип нуклеїнових кислот утворює лише дуже великі молекули, що складаються з двох ланцюгів. Вони в середньому налічують близько 300 тис. пар нуклеотидів і мають масу близько 100 млн а. о. м.

Рибонуклеїнові кислоти (РНК). Їх мононуклеотиди утворені з моносахариду рибози, а також чотирьох типів азотистих основ: аденіну та гуаніну, цитозину та урацилу. Ці величезні кислоти містяться як у ядрі, так і в цитоплазмі, мають лише один полінуклеотидний ланцюг (іл. 7.3) і вирізняються відносно незначними розмірами — від 75 до кількох тисяч нуклеотидів. Уміст РНК в ядрах клітин різного віку та різного фізіологічного стану істотно різниться. Відомі декілька типів РНК, різних за розмірами й структурою молекул, до того ж вони виконують у клітині різні функції.

Іл. 7.2. Полінуклеотид (фрагмент первинної структури ділянки ланцюжка ДНК)

Іл. 7.3. Схема будови фрагмента молекули РНК

Типи РНК. Дослідження показали, що в клітинах всіх живих істот обов'язково є РНК трьох основних типів і всі вони, так чи інакше, беруть участь в одному процесі — біосинтезі білка, забезпечуючи різні етапи цього складного процесу. Близько 90 % РІЖ міститься в цитоплазмі, решта — у ядрі.

Рибосомальна РНК (рРНК). Це найбільш масова РНК. На неї припадає 75-85 % цієї речовини в клітині. Існує вона у вигляді солі Магнію. Насправді рРНК — це не одна молекула, а сукупність молекул кількох типів із доволі значним (2,5-4,0 тис.) або кількох типів з різним числом нуклеотидних залишків. Цей тип РНК є основною речовиною рибосом — особливих органоїдів клітини, у яких відбувається біосинтез білка (іл. 7.4).

Молекули рРНК формують, подібно до білків, складну тривимірну структуру та мають ще одну унікальну властивість — каталізують хімічні реакції. Синтезується рРНК у чітко визначених певних ділянках ядра — ядерцях.

Транспортна РНК (тРНК) — це найменші молекули РНК, що нараховують від 70 до 90 нуклеотидів і становлять 15 % усієї маси РНК клітини. Для кожної з 20 амінокислот, що входять до складу білка, є своя тРНК. Усього їх відомо понад 80 видів. тРНК — це тривимірна структура, специфічна й стабільна, що за формою нагадує листок конюшини (іл. 7.5). Функція тРНК полягає в транспортуванні амінокислот, що задіяні в біосинтезі білка, причому на кожну з 20 основних амінокислот припадає не менше одного виду тРНК.

Інформаційна РНК (іРНК) (інша назва — матрична мРНК). Її питома маса серед різних типів РНК — 1-5 %. Молекули іРНК містять від 100 до 6 000 залишків нуклеотидів. іРНК синтезується, як і всі інші РНК, у ядрі, саме тут — найвища її концентрація. Має ниткоподібну форму.

Іл. 7.4. Будова рибосоми

Іл. 7.5. Модель молекули тРНК

Молекули іРНК нестійкі й у цитоплазмі швидко розпадаються. Свою назву іРНК отримала через те, що в ній «зашифрована» інформація про послідовність амінокислот у білках, а крім того, по іРНК, як по матриці, відбувається біосинтез білків.

Відмінності між ДНК і РНК. Між ДНК і РНК, що містяться в клітинах усіх без винятку організмів, існує три основні відмінності.

• ДНК містить дезоксирибозу, а РНК — рибозу,

• ДНК складається з нуклеотидів А, Т, Г, Ц, а РНК — з А, У, Г, Ц (тобто замість тиміну до одного з них входить урацил).

• Молекули ДНК величезні за розмірами й складаються з мільйонів нуклеотидів. Вони мають молекулу, що складається з двох ланцюгів. РНК набагато коротші та мають не більш ніж кілька тисяч нуклеотидів. Для них характерна одноланцюгова молекула.

Генетична інформація. На перший погляд, розташування чотирьох типів нуклеотидів у ланцюжку ДНК, наприклад, ...АТТГГЦАТATАГ..., є зовсім випадковим. Воно не відповідає ані розподілу 1 : 1 : 1 : 1, ані ще якомусь іншому. Проте, як згодом з'ясували, порядок розміщення нуклеотидів у ланцюзі ДНК має цілком закономірний характер, хоча й не підпорядковується, здавалося б, очевидним математичним закономірностям. У послідовності нуклеотидів ДНК закодована генетична інформація про особливості первинної структури (послідовність амінокислот у поліпептиді) та набір білків, властивих певній клітині. Виявляється, що ця послідовність специфічна не лише для певного виду організмів, а й для окремих особин. Установлено, що послідовність нуклеотидів у ДНК чітко передається від батьківської клітини до дочірньої під час клітинних поділів.

АТФ — вільний нуклеотид будь-якої клітини. Крім нуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, неодмінним компонентом будь-якої клітини є так звані вільні нуклеотиди. До складу вільних нуклеотидів входить до трьох залишків ортофосфатної кислоти, що послідовно сполучаються один з одним (іл. 7.6). Причому друга й третя молекули ортофосфатної кислоти приєднуються до нуклеотиду особливими зв'язками, у яких запасається енергія. Ці зв'язки називають макроергічними (від грец. макрос — великий та ергон — робота, дія) і позначають «~».

Найпоширенішим серед нуклеотидів є аденозинтрифосфат (АТФ), частка якого в масі клітини становить близько 0,5 %. Саме він відіграє ключову роль у клітинних перетвореннях енергії. АТФ складається з аденіну, рибози й трьох залишків ортофосфатної кислоти та здійснює функцію акумулятора енергії в клітині.

Будь-яка хімічна реакція, що потребує затрат енергії, пов'язана з відщепленням одного залишку ортофосфатної кислоти в молекулі АТФ і перетворення її на аденозиндифосфат (АДФ). Накопичення енергії в клітині, навпаки, відбувається за рахунок перетворення АДФ на АТФ.

Іл. 7.6. Будова молекули АТФ

Нуклеїнові кислоти — це найбільші за розмірами біополімери, структурною одиницею яких є мононуклеотиди. Вони складаються з азотистої основи, п’ятикарбонового цукру та одного залишку ортофосфатної кислоти.

Відповідно до виду п’ятикарбонового цукру нуклеїнові кислоти поділяють на два типи: РНК і ДНК, які різняться структурою і характером функцій у клітині.

Вільні мононуклеотиди є неодмінними компонентами цитоплазми будь-якої клітини, а нуклеотид АТФ — ключова речовина, що бере участь у перетвореннях енергії в клітині.

1. До якої категорії біологічних молекул належать нуклеїнові кислоти? 2. Які хімічні елементи неодмінно містяться в молекулі нуклеїнової кислоти? 3. Назвіть три компоненти, з яких складається нуклеотид. 4. Які зв’язки називають макроергічними? 5. Чому АТФ називають акумулятором клітини? 6. Чим різняться будови нуклеотидів ДНК і РНК, а також їх розташування у клітині? 7. Як саме ДНК виконує спадкову функцію?

• Чому молекули ДНК є найбільшими біологічними макромолекулами?

• Чому в молекулах нуклеїнових кислот містяться п’ятиатомні цукри, а не шестиатомні?