Нуклеиновые кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

МОУ “Академический лицей”

РЕФЕРАТ

Нуклеиновые кислоты

Выполнил:

ученик 10 в класса

Шпаков Иван

Руководитель:

Сорокин В.А.

Томск 2012

Содержание

Введение

Структура нуклеотидов

Физико-химические свойства ДНК

Биологические функции ДНК

Структура и физико-химические свойства РНК

Типы РНК и их биологические функции

Вывод

Список литературы

Введение

Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus - ядро). По своим свойствам нуклеин резко отличался от белков: он был кислым, не содержал серы, было много фосфора. Нуклеин хорошо растворялся в щелочах, но не растворялся в разбавленных кислотах.

Впоследствии из животных, растительных объектов и микроорганизмов были выделены разные нуклеиновые кислоты. Их наилучшим источником оказались клетки, имеющие большие ядра.

Химически нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономерных звеньев - нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит три различных компонента: азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание, моносахарид пентозу (рибозу или дезоксирибозу) (Rb), остаток фосфорной кислоты (P). Как показал специфический гидролиз (кислотный, щелочной), а также гидролиз ферментами-нуклеазами, эти компоненты соединены друг с другом в такой последовательности: азотистое основание - пентоза - фосфат. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом и фосфатом другого нуклеотида.

Поскольку остаток пентозы и фосфат соединены эфирной связью, то при образовании полинуклеотидной цепи связь Rb-P-Rb называется фосфодиэфирной.

Азотистые основания не участвуют в образовании никаких других ковалентных связей, помимо связывающей их с остатками пентозы сахарофосфатной цепи. Именно последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи определяет уникальную структуру и специфическую функцию молекул нуклеиновых кислот.

Гидролиз нуклеиновых кислот, выделенных из ядер клеток, показал, что они состоят из пуриновых (аденина, гуанина) и пиримидиновых (цитозина, тимина) оснований, 2-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Эта нуклеиновая кислота была названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Из дрожжей была получена другая по химическому составу нуклеиновая кислота, содержащая вместо тимина урацил и вместо дезоксирибозы рибозу. Ее назвали рибонуклеиновой кислотой (РНК).

Биологическая функция нуклеиновых кислот оставалась неизвестной в течение почти столетия. Только в 40-х гг. XX в. О.Т. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что эти биополимеры ответственны за хранение, репликацию (воспроизведение), транскрипцию (передачу) и трансляцию (воспроизведение на белок) генетической (наследственной) информации. В 1953г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК, биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи.

Структура нуклеотидов

Строение пуриновых оснований

Сам пурин не входит в состав нуклеотидов, а входят его производные - аденин (А) и гуанин (G).

Строение пиримидиновых азотистых оснований

Пиримидин также не входит в состав нуклеотидов, а входят его производные - урацил (U), тимин (Т), цитозин (С).

В составе ДНК и РНК встречаются более редкие азотистые основания, например, 5-метилцитозин, 4-тиоурацил и дигидроурацил; они получили название минорных оснований.

В состав ДНК входят в-D-2-дезоксирибоза, в состав РНК - в-D-рибоза. И в том, и в другом случае эти монозы являются пентозой (пять углеродных атомов), различия касаются лишь второго углеродного атома. В рибозе углерод-2 связан с ОН-группой, тогда как в дезоксирибозе на месте ОН-группы находится Н, отсюда префикс "дезокси". Буквы в и D отражают специфическую конфигурацию при атомах С-1' и С-4' фуранозного цикла:

Состав ДНК

Нуклеозиды - соединения, в которых пуриновые или пиримидиновые основания связаны с рибозой (рибонуклеозиды) или дезоксирибозой (дезоксирибонуклеозиды).

Нуклеозиды относятся к N-гликозидам: атом С-1' рибозы или дезоксирибозы связан с N-9 пуринового или N-1 пиримидинового основания:

Аденозин и дезоксиаденозин

В состав ДНК входят следующие нуклеозиды, что описывается формулами:

Аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.

Гуанин + дезоксирибоза = дезоксигуанозин.

Цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин.

Тимин + дезоксирибоза = дезокситимидин.

В состав РНК входят следующие нуклеозиды, что описывается формулами:

Аденин + рибоза = аденозин.

Гуанин + рибоза = гуанозин.

Цитозин + рибоза = цитидин.

Урацил + рибоза = уридин.

Кроме выше перечисленных главных нуклеозидов встречаются и минорные нуклеозиды, из которых наиболее распространены дигидроуридин, псевдоуридин; в последнем отсутствует обычная N-гликозидная связь: в нем атом С-1' рибозы соединен с атомом С-5 урацила.

Нуклеозиды лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Их легко можно разделить и идентифицировать методом тонкослойной хроматографии. Они устойчивы к щелочам, но легко гидролизуются кислотами, а также ферментом нуклеозидазой.

Нуклеотиды представляют собой нуклеозиды с присоединенной эфирной связью к остатку рибозы или дезоксирибозы фосфатной группой. В образовании связи участвует 5'-углеродный атом пентозы. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды можно разделить на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды:

Рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды

В зависимости от числа остатков фосфорной кислоты нуклеотиды подразделяются на нуклеозид-5'-монофосфаты, нуклеозид-5'-дифосфаты и нуклеозид-5'-трифосфаты. В принципе нуклеозид может быть фосфорилирован до тетрафосфата.

Ниже приводятся названия и сокращенные обозначения нуклеотидов.

Данная номенклатура нуклеотидов рассматривает их как фосфорные эфиры. В то же время благодаря наличию кислотной фосфатной группы удобно рассматривать нуклеозидмонофосфаты как кислотные производные исходных нуклеозидов, например, адениловая, уридиловая, гуанидиловая, цитидиловая кислоты.

Нуклеотиды - сильные кислоты, так как остаток фосфорной кислоты, входящей в их состав, сильно диссоциирован.

Уникальны биохимические функции нуклеотидов. В качестве основных можно отметить следующие:

1) являются строительными блоками нуклеиновых кислот (ДНК и РНК); участвуют в молекулярных механизмах, с помощью которых генетическая информация хранится, реплицируется и транскрибируется;

2) выполняют важную роль в энергетическом (фосфорном) обмене, в аккумулировании и переносе энергии;

3) служат агонами (коферментами и активными простетическими группами) в окислительно-восстановительных ферментах;

4) играют важную роль в синтезе олиго- и полисахаридов, жиров.

Таким образом, нуклеотиды - универсальные биомолекулы, играющие фундаментальную роль в обмене веществ и энергии живой клетки.

Физико-химические свойства ДНК

ДНК - довольно сильная многоосновная кислота, полностью ионизированная при рН 4,0. Фосфатные группы расположены по периферии. Они прочно связывают ионы Са и Мg, амины, гистоны - положительно заряженные белки. Устойчивость комплементарных пар оснований зависит от величины рН. Пары оснований наиболее устойчивы в интервале рН 4,0-11,0. За его пределами двухцепочечная спираль ДНК теряет устойчивость и раскручивается.

Молекулярная масса ДНК неодинакова и зависит от источника ее получения. К тому же даже при самых тщательных и щадящих процедурах выделения ДНК подвергается некоторой деградации. Препараты, полученные современными методами из тканей животных и растений, имеют молекулярную массу 6·10-10·10. Однако истинная молекулярная масса ДНК животных и растений, определенная по вязкости и по длине молекул, значительно выше и достигает десятков миллиардов.

У большинства вирусов ДНК представляет собой двойную спираль, линейную или замкнутую в кольцо. У некоторых вирусов она представляет собой одну полинуклеотидную цепь, замкнутую в кольцо и имеющую сравнительно небольшую молекулярную массу - 2·10. ДНК сравнительно легко деполимеризуется под действием некоторых химических соединений, ультразвука, ионизирующей и ультрафиолетовой радиации. Нагревание растворов ДНК до температур 70-80°С, а также их подщелачивание вызывают денатурацию ДНК, заключающуюся в плавлении двойной спирали (разрушение водородных связей и гидрофобных взаимодействий), и расхождение полинуклеотидных цепей. Денатурация сопровождается понижением вязкости раствора, повышением поглощения в ультрафиолетовой области, увеличением отрицательного удельного вращения плоскости поляризации света, увеличением плавучей плотности образцов ДНК. Возрастание светопоглощения света при 260 нм называется гипохромным эффектом; это важнейший критерий денатурации ДНК, по которому можно контролировать этот процесс.

В отличие от многих глобулярных белков, денатурация которых происходит постепенно в широком температурном интервале, нативные ДНК денатурируют в узком интервале температур (~10°С), поэтому тепловую денатурацию часто называют плавлением. Температура плавления тем выше, чем больше в молекуле ДНК GС-пар; этот показатель может использоваться для определения нуклеотидного состава ДНК. Установлено, что температура плавления линейно связана с составом ДНК: ее повышение на 1° соответствует 2,5 молярных % GС-пар. Гомогенные препараты ДНК характеризуются плавлением с резким переходом спираль - клубок, тогда как гетерогенные препараты дают сравнительно широкую зону плавления, что может служить мерой гетерогенности ДНК. При быстром охлаждении после тепловой денатурации ДНК не восстанавливает своих нативных свойств; однако, при медленном охлаждении полинуклеотидные цепи реассициируются по принципу комплементарности, т.е. происходит ренатурация молекул ДНК. Это продемонстрировано, в частности, на препаратах ДНК пневмококка с помощью методов электронной микроскопии и градиентного ультрацентрифугирования в СsСl.

Биологические функции ДНК

Структура и физико-химические свойства РНК

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) - однонитевые молекулы, поэтому в отличие от ДНК их вторичная и третичная структуры нерегулярны. Нуклеотидная цепь РНК обладает гибкой структурой, ее длина в зависимости от вида РНК может варьировать в очень широких пределах - от нескольких десятков до десятков тысяч нуклеотидных остатков; молекулярная масса РНК находится в пределах 10-10.

Последовательность нуклеотидных звеньев, соединенных фосфодиэфирной связью в неразветвленную полинуклеотидную цепь, представляет собой первичную структуру РНК. Вторичная и третичная структуры РНК, определяемые как пространственная конформация полинуклеотидной цепи, формируются в основном за счет водородных связей и гидрофобных взаимодействий между азотистыми основаниями. Если для молекулы нативной ДНК характерна устойчивая спираль, то структура РНК более многообразна и лабильна. Рентгеноструктурный анализ показал, что отдельные участки полинуклеотидной цепи РНК, перегибаясь, навиваются сами на себя с образованием внутриспиральных структур. Стабилизация структур достигается за счет комплементарных спариваний азотистых оснований антипараллельных участков цепи; специфическими парами здесь являются А-U, G-С и, реже, G-U.

Образование спиральных структур сопровождается гипохромным эффектом - уменьшением оптической плотности образцов РНК при 260 нм. Разрушение этих структур происходит при понижении ионной силы раствора РНК или при его нагревании до 60-70°С; оно также называется плавлением и объясняется структурным переходом спираль - хаотический клубок, что сопровождается увеличением оптической плотности раствора нуклеиновой кислоты.

Хотя РНК относится к однониточным полинуклеотидам, вместе с тем в ее цепях имеются участки различной длины, состоящие из комплементарных друг другу нуклеотидных последовательностей, включающих от десятков до тысяч нуклеотидных остатков, расположенных на небольшом удалении друг от друга. Благодаря этому в молекуле РНК возникают как короткие, так и протяженные биспиральные участки, принадлежащие одной цепи; эти участки носят название шпилек. Модель вторичной структуры РНК со шпилькообразными элементами была создана в конце 50-х - начале 60-х гг. XX в. в лабораториях А.С. Спирина (Россия) и П. Доти (США).

Типы РНК и их биологические функции

Клетки содержат три основных типа РНК: рибосомную - рРНК, транспортную - тРНК и матричную (информационную) - мРНК. Каждая из этих РНК выполняет специфическую роль в сложном процессе биосинтеза белка, при котором последовательность аминокислот однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК.

В эукариотических клетках существуют также малые ядерные РНК (мяРНК), являющиеся участниками процессинга РНК, и гетерогенные ядерные РНК (гяРНК), представляющие собой предшественников мРНК. Кроме того, обнаружена так называемая антисмысловая РНК, участвующая в регуляции процесса репликации ДНК.

В процессе транскрипции нуклеотидная последовательность локуса (место в хромосоме, где находится ген) в ДНК копируется в молекулу РНК. Транскрибируются три вида генов. Транскрипты генов рРНК используются в синтезе рибосом, нуклеотидная последовательность мРНК переписывается в последовательность аминокислот при синтезе полипептида на рибосоме, а транскрипты генов тРНК связываются с аминокислотами, которые затем переносятся в рибосомный синтезирующий центр в последовательности, зашифрованной в мРНК; этот процесс называется трансляцией.

Рибосомная РНК. Она входит в состав клеточных органелл - рибосом. Биохимическая функция рРНК пока до конца не изучена. Предполагается, что она играет роль молекулярного каркаса, на котором крепятся участники процесса трансляции; рРНК имеет большую молекулярную массу (до 2-10), характеризуется метаболической стабильностью. На ее долю приходится до 85-90% всех клеточных РНК. Степень спирализованности молекул рРНК находится в пределах 70-80%.

Предполагается, что в белоксинтезирующей системе клетки функция рРНК не исчерпывается ролью структурного компонента. У прокариотов обнаружено, что в рРНК имеются небольшие участки, комплементарные участкам мРНК. Спаривание этих участков, видимо, способствует первоначальному связыванию мРНК с рибосомой. Не исключено, что некоторые участки рРНК играют определенную роль в формировании пептидтрансферазного центра рибосомы, ответственного за образование пептидных связей при синтезе белка.

Транспортные РНК. Это низкомолекулярные нуклеиновые кислоты; молекулярная масса колеблется в пределах 23000-30000, каждой из 20 белковых аминокислот соответствует, по крайней мере, одна тРНК. Однако некоторым аминокислотам специфичны от 2 до 6 тРНК; предполагается их общее количество около 60. Они составляют примерно 15% общего количества клеточных РНК. Многие тРНК получены в гомогенном состоянии, некоторые - в кристаллическом виде.

Вывод

рибонуклеиновая кислота биологический генетический

Вследствие этого реферата можно сказать, что нуклеиновые кислоты играют огромную роль в нашем организме, т.к. играют важнейшую роль в передачи генетической информации.

Список используемой литературы

1. http://www.xumuk.ru

2. http://www.allbest.ru

3. http://www.studychem.com

Размещено на Allbest.ru