Химический состав клетки. Органические соединения клетки.
Нуклеиновые кислоты
Роль ДНК и РНК в клетке
Структура и функция ДНК и РНК
Нуклеотиды
Свойства ДНК
Свойства РНК
Ферменты
Аденозинтрифосфорная кислота
Роль АТФ в организме
Функции АТФ
Введение
Нуклеиновые кислоты, и в частности ДНК, являются ключевыми макромолекулами поддерживающими жизнь. ДНК несет наследственную информацию, которая передается от родителей к детям, предоставляя инструкции о том, как (и когда) производить различные белки, необходимые для построения и поддержания функционирования клеток, тканей и организма в целом.
Роль ДНК и РНК в клетке
Нуклеиновые кислоты — макромолекулы, состоящие из единиц, называемых нуклеотидами, бывают двух видов: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). ДНК — это генетический материал, находящийся в живых организмах, от одноклеточных бактерий до многоклеточных млекопитающих, таких как вы и я. Некоторые вирусы используют РНК, а не ДНК, в качестве своего генетического материала, но по факту они не считаются живыми (поскольку не могут размножаться без помощи хозяина).
ДНК в клетке
У эукариот, например, у растений и животных, ДНК находится в ядре, специализированном мембранном хранилище в клетке, а также в некоторых других типах органелл (таких как митохондрии и хлоропласты у растений). У прокариот, таких как бактерии, ДНК не заключена в отдельную мембранную оболочку, хотя она расположена в специализированной клеточной области, называемой нуклеоидом.
У эукариот ДНК обычно разделена на ряд очень длинных линейных фрагментов, называемых хромосомами, тогда как у прокариот, в том числе у бактерий, хромосомы намного меньше и часто круглые (в форме кольца). Хромосома может содержать десятки тысяч генов, каждый из которых содержит инструкции о том, как произвести конкретный продукт, необходимый клетке.
От ДНК к РНК и белкам
Многие гены кодируют белки, это означает, что они определяют последовательность аминокислот, используемых для создания определенного белка. Однако прежде чем эту информацию можно будет использовать для синтеза белка, необходимо сначала перевести информацию в РНК — этот этап называется транскрипцией. А этот тип РНК называется матричной РНК (мРНК), или информационной РНК, поскольку она переносит информацию от ДНК к рибосомам — молекулярным механизмам, которые считывают последовательность мРНК и используют её для создания белков. Однако важно понимать, что не все гены кодируют белки. Например, некоторые гены участвуют в синтезе рибосомных РНК (рРНК), которые являются структурными компонентами рибосом, или участвую в синтезе транспортных РНК (тРНК), молекулы РНК в форме клеверного листа, которые переносят аминокислоты на рибосому для синтеза белка. Другие молекулы РНК, такие как крошечные микроРНК (миРНК), работают как регуляторы других генов. Все время обнаруживаются новые типы не кодирующих белок РНК.
Нуклеотиды
ДНК и РНК являются полимерами (в случае ДНК, часто очень длинными полимерами) и состоят из мономеров, известных как нуклеотиды. Когда эти мономеры объединяются, полученная цепь называется полинуклеотидом (poly- = "много").
Каждый нуклеотид состоит из трех частей: азотсодержащей кольцевой структуры, называемой азотистым основанием, пятиуглеродного сахара и, по меньшей мере, одной фосфатной группы. Молекула сахара имеет центральное положение в нуклеотиде, причем основание присоединено к одному из его атомов углерода, а фосфатная группа (или группы) присоединена к другому. Давайте рассмотрим каждую часть нуклеотида более детально.
Азотистые основания
Азотистые основания нуклеотидов являются органическими (на основе углерода) молекулами, состоящими из азотсодержащих кольцевых структур.
Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Аденин и гуанин являются пуринами, что означает, что их структуры содержат два соединенных углерод-азотных кольца. Цитозин и тимин, напротив, являются пиримидинами и имеют одно углеродно-азотное кольцо. Нуклеотиды РНК могут также нести адениновые, гуаниновые и цитозиновые основания, однако вместо тимина у них есть другое пиримидиновое основание, называемое урацил (U). Как показано на рисунке выше, каждое основание имеет уникальную структуру с собственным набором функциональных групп, прикрепленных к кольцевой структуре.
В сокращениях, использующихся в молекулярной биологии, азотистые основания часто просто записываются однобуквенными символами, A, T, G, C и U. ДНК содержит A, T, G и C, в то время как РНК содержит A, U, G и C (то есть U заменяется на T).
Сахара
В дополнение к немного отличающимся наборам оснований, нуклеотиды ДНК и РНК также имеют немного различающиеся молекулы сахара. Пятиуглеродный сахар в ДНК называется дезоксирибоза, а в РНК — рибоза. Оба они очень похожи по структуре, только с одним отличием: второй углерод рибозы имеет гидроксильную группу, тогда как эквивалентный углерод дезоксирибозы имеет водород. Атомы углерода молекулы сахара пронумерованы как 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ читается как «один шртих»), как показано на рисунке выше. В нуклеотиде сахар занимает центральное положение, при этом основание присоединено к его 1' углероду, а фосфатная группа (или группы) присоединена к его 5' углероду.
Фосфат
Нуклеотиды могут иметь одну фосфатную группу или цепочку из трёх фосфатных групп, присоединённых к 5’-атому углерода сахара. В клетке нуклеотид, который должен быть добавлен к концу полинуклеотидной цепи, будет нести серию из трех фосфатных групп. Когда нуклеотид присоединяется к растущей цепи ДНК или РНК, он теряет две фосфатные группы. Поэтому, в цепочке ДНК или РНК каждый нуклеотид имеет только одну фосфатную группу.
Свойства ДНК
Цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК, обычно находятся в форме двойной спирали, это структура, в которой две совпадающие (комплементарные) цепочки соединены, как показано на диаграмме слева. Сахара и фосфаты находятся на внешней стороне спирали, образуя основу ДНК; эта часть молекулы иногда называется сахарно-фосфатной основой. Азотистые основания простираются внутрь, как ступеньки лестницы, попарно; пары оснований связаны друг с другом водородными связями.
Из-за размеров и функциональных групп оснований они образуют строго определённые пары: A может соединяться только с T, а G может соединяться только с C, как показано ниже. Это означает, что две нити двойной спирали ДНК связаны друг с другом очень предсказуемым образом.
Свойства РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК), в отличие от ДНК, обычно одноцепочечная. Нуклеотиды в цепи РНК состоят из рибозы (пятиуглеродный сахар), одного из четырех азотистых оснований (A, U, G или C) и фосфатной группы. Здесь мы рассмотрим четыре основных типа РНК: матричную РНК (мРНК), рибосомную РНК (рРНК), транспортную РНК (тРНК) и регуляторную РНК.Итоги: особенности ДНК и РНК
| ДНК | РНК | |
| Функции | Хранилище генетической информации | Участвует в синтезе белков и регуляции генов; носитель генетической информации в некоторых вирусах |
| Сахара | Дезоксирибоза | Рибоза |
| Структура | Двойная спираль | Обычно одноцепочечная |
| Азотистые основания | C, T, A, G | C, U, A, G |
Нуклеиновые кислоты легко деградируют под действием особого класса ферментов — нуклеаз.
Различают несколько типов нуклеаз в зависимости от их специфичности: экзонуклеазы и эндонуклеазы, рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы, рестриктазы и некоторые другие.
Ферменты – это белковые молекулы, которые синтезируются живыми клетками. В каждой клетке насчитывается более сотни различных ферментов. Роль ферментов в клетке колоссальна. С их помощью химические реакции идут с высокой скоростью, при температуре, подходящей для данного организма.
То есть ферменты – это биологические катализаторы, которые облегчают протекание химической реакции и за счет этого увеличивают её скорость. Как катализаторы они не изменяют направление реакции и не расходуются в процессе реакции.
Ферменты - биокатализаторы – вещества, увеличивающие скорость химических реакций.
Без ферментов все реакции в живых организмах протекали бы очень медленно и не могли бы поддерживать его жизнеспособность.
Наглядный пример работы ферментов – сладковатый вкус во рту, который появляется при пережевывании продуктов, содержащих крахмал (например, риса или картофеля). Появление сладкого вкуса связано с работой фермента амилазы, которая присутствует в слюне и расщепляет крахмал (рис. 1). Крахмал является полисахаридом, и сам по себе безвкусный, но продукты расщепления крахмала (моносахариды) с меньшей молекулярной массой (декстрины, мальтоза, глюкоза) сладкие на вкус.
Аденозинтрифосфорная кислота
Кроме белков, жиров, полисахаридов и нуклеиновых кислот, в любой клетке насчитывается несколько тысяч других органических соединений. Одно из них- молекулы АТФ, образующие энергию, которая необходима каждому человеку.
Любое действие, будь это шаг или дыхание, требует энергетических затрат. Вот только запасов АТФ в организме совсем не много. Исследования показали, что в отдельный момент вес этих молекул составляет около 250 грамм. Этого количества будет недостаточно даже для простой прогулки по лесу. Откуда же берутся молекулы АТФ, чтобы наполнять наш организм энергией?
Аденозинтрифосфорная кислота это вещество, которое чаще других обновляется в организме. Продолжительность жизни АТФ не более минуты. Поэтому она постоянно рождается и распадается. Так происходит в среднем 3000 раз за сутки. Удивительно, но такое количество обновлений составляет 40 кг. Настолько велика потребность человека в энергии.
Этот нуклеотид состоит из трех компонентов:
- Рибоза – это моносахарид, который входит в состав РНК.
- Аденин – соединение углерода с азотом;
- Трифосфат – остатки фосфорной кислоты.
Молекула АТФ дает энергию для всех процессов, происходящих в организме. Благодаря ее расщеплению сокращаются мышечные волокна. Прежде чем АТФ произведет энергию, она проходит несколько этапов. В процессе расщепления от нее отделяются остатки фосфорной кислоты. Отрыв одной молекулы сопровождается выбросом энергии. Когда отделяется одна молекула фосфорной кислоты, образуется АДФ (аденозиндифосфат), две – АМФ (аденозинмонофосфат).
АТФ + Н2О → АДФ + Н3РО4 + энергия
Синтез молекулы АТФ у человека и животного происходит в митохондриях. Топливом для синтеза выступает глюкоза. Когда запасы гликогена на исходе, начинают задействоваться жировые ресурсы. Спортсмены знают, что для расхода жировых запасов требуются аэробные нагрузки. К ним относятся бег, ходьба, пешие прогулки, катание на коньках и другие.
Роль АТФ в организме
Главная функция аденозинтрифосфорной кислоты – энергетическая. Но она также отвечает за ряд других процессов организме.
Функции АТФ:
- синтез нуклеиновых кислот;
- регулировка биохимических процессов;
- важнейший медиатор в синапсе (местам контакта двух клеточных мембран);
- необходима для участия в синтезе АМФ.