Тема: Нуклеиновые кислоты. Синтез нуклеиновых кислот в клетке из нуклеотидов. Общий план строения нуклеотида. Роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации. Понятие о биотехнологии и генной инженерии.
Основные понятия и термины по теме: нуклеотиды, нуклеиновые кислоты. биотехнология и генная инженерия.
План изучения темы
(перечень вопросов, обязательных к изучению):
1.Общая характеристика нуклеиновых кислот.
2.Общий план строения нуклеотида.
а) азотистые основания
б) углеводы
в) фосфорная кислота
3. Нуклеотиды
а) мононуклеотиды.
4. Структура ДНК и РНК.Роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации.
5. Химические свойства нуклеиновых кислот.
а) кислотный гидролиз
б) щелочной гидролиз
в) ферментативный гидролиз.
6.Понятие о биотехнологии и генной инженерии.
Содержание:
Общая характеристика нуклеиновых кислот.
Уникальным свойством живых клеток является их способность к воспроизводству себе подобных с почти идеальной точностью на протяжении многих поколений. Доказано, что материальной основой воспроизводства являются нуклеиновые кислоты, которые хранят генетическую информацию и реализуют ее путем синтеза белковых молекул. Большая часть нуклеиновых кислот связана с белками протаминами или гистонами, образуя нуклеопротеиды, которые расположены в разных частях клетки.
Нуклеиновые кислоты - это водорастворимые высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их также называют полинуклеотидами.
Впервые они были обнаружены в 1868 году швейцарским врачом Мишером в ядрах погибших лейкоцитов, что и определило их название (от лат. nucleus - ядро).
По химическому строению нуклеиновые кислоты - биологические полимеры, состоящие из остатков фосфорной кислоты, моносахарида и одного из пуриновых или пиримидиновых гетероциклических оснований. Входящие в состав нуклеиновых кислот гетероциклические соединения пуринового и пиримидинового ряда называют нуклеиновыми основаниями или просто основаниями.
Нуклеотиды построены из трех компонентов: пиримидинового или пуринового основания, пентозы и фосфорной кислоты.
В общем виде молекулу нуклеиновой кислоты можно представить следующим образом:
Соединение фрагмента макромолекулы нуклеиновой кислоты моносахарид-основание называется нуклеозидом, а фрагмент моносахарид-основание-фосфат - нуклеотидом.
Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры с молекулярной массой от нескольких тысяч до миллиардов и состоят из многих тысяч мономеров -мононуклеотидов. Мононуклеотиды состоят из азотистых оснований, углевода и фосфорной кислоты.
Нуклеиновые кислоты присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.
Особенность нуклеиновых кислот заключается в том, что обычно «неделимое» мономерное звено в полинуклеотидах может быть разделено на составные части: нуклеотиды и нуклеозиды, которые помимо того, что служат строительными блоками при синтезе нуклеиновых кислот, играют и вполне самостоятельную роль в процессах обмена веществ, а также участвуют в качестве коферментов в реакциях переноса остатков сахаров, аминов и других биомолекул.
2. Компоненты нуклеиновых кислот. Общий план строения нуклеотида.
А) Азотистые основания.
В состав нуклеиновых кислот входят гетероциклические основания пиримидинового ряда: урацил, тимин, цитозин и пуринового ряда: аденин и гуанин.
Для удобства используют однобуквенные обозначения (символы) гетероциклических оснований (русские или латинские):
Пиримидиновые основания
Пуриновые основания
Во всех формах гетероциклы сохраняют ароматичность и имеют плоское строение, благодаря чему отличаются высокой термодинамической стабильностью.
Б) Углеводы.
Углеводным компонентом нуклеиновых кислот являются пентозы: D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Обе пентозы всегда находятся в фуранозной форме и имеют b-конфигурацию аномерного атома С-1¢ (в формулах нуклеотидов и нуклеозидов атомы углерода моносахаридов нумеруются цифрой со штрихом):
В) Фосфорная кислота.
Остатки фосфорной кислоты (H3PO4) входят в состав нуклеотидов и этерифицируют D-рибозу и 2-дезокси-D-рибозу в положениях 3¢ и 5¢. В этой связи нуклеотиды и полинуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как сложные эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты.
Остатки моносахаридов и фосфорной кислоты выполняют структурную функцию и являются носителями гетероциклических оснований.
Нуклеозиды значительно лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Подобно всем гликозидам, нуклеозиды устойчивы к действию щелочей, но при нагревании легко подвергаются кислотному гидролизу с разрывом гликозидной связи и образованием основания и пентозы:
Пиримидиновые нуклеозиды значительно более устойчивы к гидролизу, чем пуриновые. В условиях in vivo гидролиз обоих типов нуклеозидов осуществляется при помощи специфических ферментов, называемых нуклеозидазами.
Нуклеотиды
Нуклеотиды - это производные нуклеозидов, которые образуются в результате этерификации пентозного фрагмента фосфорной кислотой. В зависимости от строения пентозы различают рибонуклеотиды (мономерные звенья РНК) и дезоксирибинуклеотиды (мономерные звенья ДНК).
Мононуклеотиды могут иметь в своем составе до трех остатков фосфорной кислоты, в зависимости от этого будет меняться и название:
- АМФ аденилмонофосфат или аденозинмонофосфорная кислота,
- АДФ аденилдифосфат или аденозиндифосфорная кислота,
- АТФ аденилтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота.
В связях между 2 и 3 остатками фосфорной кислоты заключено большое количество энергии, примерно 50 кДж/моль. Связь, при разрушении которой выделяется энергии более 40 кДж/моль называют макроэргической, а соединения с такой связью – макроэргическими соединениями.