Підручник з Біології і екології. 10 клас. Остапченко - Нова програма

§ 18. БУДОВА ТА БІОЛОГІЧНА РОЛЬ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Пригадайте, які вуглеводи називають пентозами. Які властивості генетичного коду? Що таке геном? Які особливості організації віроїдів? Яка будова рибосом? Що таке рибозими?

Будову і функції нуклеїнових кислот ви вивчали минулого року на уроках біології. Це складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Молекула нуклеотиду складається з трьох частин: залишків нітрогеновмісної (азотистої) основи, моносахариду (одного з двох типів пентоз: дезоксирибози або рибози) та залишку ортофосфатної кислоти (мал. 18.1).

Ви вже знаєте, що залежно від типу пентози у складі нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот: рибонуклеїнові кислоти (РНК) містять рибозу, дезоксирибонуклеїнова (ДНК) — дезоксирибозу (мал. 18.1). Кожен нуклеотид у складі ДНК містить один із чотирьох типів нітрогеновмісних основ: аденін (його скорочено позначають А), гуанін (Г, у науковій літературі — G), цитозин (Ц, або С) та тимін (Т). У молекулах РНК замість тиміну є урацил (У, або U).

Мал. 18.1. Схема будови нуклеотиду: 1 — залишок ортофосфатної кислоти; 2 — залишок нітрогеновмісної основи; 3 — залишок моносахариду (пентоза); у молекулі дезоксирибози, на відміну від рибози замість гідроксильної групи (ОН) міститься атом Гідрогену (Н)

У складі нуклеїнових кислот окремі нуклеотиди з’єднані між собою в ланцюг за допомогою ковалентних зв’язків, які виникають між залишком пентози одного нуклеотиду та ортофосфатним залишком іншого (мал. 18.2).

Мал. 18.2. Схема будови нуклеїнової кислоти

Будова ДНК. Кількість нуклеотидів з аденіном у будь-якій молекулі ДНК дорівнює кількості нуклеотидів з тиміном (А=Т), а кількість нуклеотидів з гуаніном — кількості нуклеотидів із цитозином (Г=Ц). Сума нуклеотидів з аденіном і гуаніном дорівнює сумі нуклеотидів з тиміном і цитозином (А+Г = Т+Ц). Ці закономірності відносного вмісту нуклеотидів різних типів у молекулі ДНК дістали назву правила Чаргаффа (мал. 18.3). Молекули ДНК у різних тканинах одного й того самого організму мають однаковий нуклеотидний склад. Він не змінюється з віком, не залежить від характеру живлення та змін довкілля (може змінитися лише внаслідок мутацій).

Мал. 18.3. Ервін Чаргафф (1905—2002) — американський біохімік українського походження (народився в Чернівцях). Разом зі своїми співробітниками визначив кількісне відношення нітрогеновмісних основ, що входять до складу ДНК

Молекула ДНК складається з двох сполучених між собою водневими зв’язками полінуклеотидних ланцюгів. Ці зв’язки виникають між двома нуклеотидами різних розмірів. Розміри А і Г дещо більші, ніж Т і Ц; тому А завжди сполучається з Т (між ними виникає два водневі зв’язки), а Г — із Ц (виникають три водневі зв’язки). Отже, кожен з двох ланцюгів є своєрідною «дзеркальною» копією іншого.

Чітку відповідність нуклеотидів у двох ланцюгах ДНК назвали принципом комплементарності (цей принцип сформулювали Дж. Уотсон і Ф. Крік). Два полінуклеотидні ланцюги обвивають один одного й утворюють закручену праворуч подвійну спіраль (вторинна структура ДНК) (мал. 18.4).

Мал. 18.4. Модель подвійної спіралі ДНК

Кожна хромосома в клітинному ядрі еукаріотів містить одну довгу лінійну молекулу ДНК, що в комплексі з ядерними білками гістонами набуває складної просторової (третинної) структури (мал. 18.5). Довжина ДНК найбільшої хромосоми людини дорівнює 10 см.

Мал. 18.5. Формування третинної структури ДНК у складі хромосоми

З молекулами ДНК пов’язана основна властивість організмів — спадковість. У послідовності нуклеотидів ДНК закодована інформація про всі особливості будови та функціонування клітини та організму в цілому. Одиницею спадковості є ген — ділянка молекули ДНК.

Молекула ДНК відрізняється високою стабільністю, що забезпечує досить надійне збереження спадкової інформації.

Методи роботи з молекулами ДНК. Є різноманітні методики виділення молекул ДНК з клітин та роботи з ними. Пригадайте: за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) отримують у великій кількості копії фрагментів виділених молекул ДНК, що полегшує подальшу роботу з ними. Методами молекулярного клонування можна отримувати копії фрагментів ДНК більшого розміру. Отримані молекули ДНК вивчають, зокрема, розділяючи за допомогою ферментів на окремі фрагменти. Так аналізують експресію генів і визначають ступінь спорідненості геномів різних організмів. Методами секвенування встановлюють нуклеотидну послідовність різних молекул ДНК, тобто розшифровують геноми різних організмів.

У систематиці застосовують метод гібридизації геномів, який дає змогу визначати ступінь спорідненості організмів. Він ґрунтується на гібридизації молекул ДНК одного організму, до складу якої введено радіоактивні ізотопи або барвники, та неміченої ДНК іншого. Так визначають кількість ідентичних генів: що їх більше, то вищий ступінь спорідненості цих організмів. Цю методику використовують і в онкології для порівняння структури генів клітин пухлин і нормальних клітин. Різні методи дослідження й роботи з молекулами ДНК широко використовують у генній інженерії та біотехнології, зокрема для отримання генетично модифікованих організмів (ГМО).

Типи РНК, їхні структура та функції. Переважна кількість молекул РНК складається з одного полінуклеотидного ланцюга. При цьому взаємно комплементарні ділянки в межах однієї молекули РНК досить часто утворюють дволанцюгові спіральні структури — так звані шпильки. У результаті молекула РНК часто має складну просторову (третинну) структуру. У деяких вірусів є дволанцюгові молекули РНК у вигляді подвійної спіралі (подібно до ДНК).

У клітинах усіх типів існують три основні класи РНК, які відрізняються нуклеотидним складом, розмірами та функціональними властивостями.

Матрична РНК (мРНК; її ще називають інформаційною — іРНК) синтезується на ділянці ДНК, що несе інформацію про певний білок, і є копією цієї ділянки одного з ланцюгів ДНК. Вона переносить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу поліпептидного ланцюга — рибосоми, де використовується як матриця.

Транспортні РНК (тРНК) приєднують амінокислоти (кожна свою) і транспортують їх до місця синтезу білкових молекул. Транспортна РНК має вторинну структуру, яка за формою нагадує листок конюшини. Далі вона укладається в певну просторову (третинну) структуру (мал. 18.6).

Мал. 18.6. Структура тРНК: 1 — двовимірний вигляд молекули тРНК (має вигляд листка конюшини); 2 — тривимірний (об’ємний) вигляд молекули тРНК

Рибосомна РНК (рРНК) разом з рибосомними білками входить до складу нуклеопротеїдного комплексу — рибосоми, до 2/3 маси якої становить саме рРНК (мал. 18.7). Вона визначає взаємне розташування мРНК і тРНК на рибосомі під час синтезу білка. У клітинах еукаріотів рРНК синтезується в ядерці — місці формування субодиниць рибосом.

Мал. 18.7. Структура великої субодиниці рибосоми: жовтим кольором позначено рРНК, синім — білки, червоним — активний центр

У клітинах є також інші типи РНК, які беруть участь у процесах постсинетичного «дозрівання» мРНК та рРНК, залучені до регуляції процесів синтезу інших РНК та білків тощо.

Ви вже знаєте, що молекули РНК можуть виконувати функції своєрідних ферментів, їх називають рибозимами. Вони, як і складні ферменти білкової природи, можуть мати кофактори, наприклад йони Mg2+. Багато рибозимів здатні каталізувати власне розщеплення або розщеплення інших молекул РНК. Рибозимом є активна частина рибосоми.

Ключові терміни та поняття

ДНК, РНК, принцип комплементарності.

Перевірте здобуті знання

1 Які особливості будови нуклеїнових кислот? Які є типи нуклеїнових кислот? 2. Сформулюйте правила Чаргаффа. 3. Які ви знаєте види РНК? У яких процесах, що відбуваються в клітині, беруть участь молекули РНК? 4. Яка будова та функції молекул мРНК? 5. Як будова тРНК пов'язана з її функціями? 6. Які функції молекул рРНК? 7. Що таке рибозими? Які їхні функції?

Поміркуйте

Як встановлення закономірностей вмісту нуклеотидів у молекулі ДНК (правила Чаргаффа) сприяло створенню просторової структури цих молекул?