Нуклеиновые кислоты

1. Нуклеиновые кислоты

2.

Нуклеиновые кислоты являются
сложными высокомолекулярными
биополимерами с линейной структурой
молекулы, построенные из нуклеотидов,
т.е. по своему строению они являются
полинуклеотидами.
Различают два класса нуклеиновых кислот:
рибонуклеиновые кислоты (РНК) и
дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

3.

Нуклеиновая кислота
(полинуклеотид)
+ НОН
Мононуклеотиды
+ НОН
Нуклеозиды + Н3РО4
+ НОН
Азотистые основания
+
пентозы

4. Структурные компоненты нуклеиновых кислот

1. Азотистые основания: аденин, гуанин,
цитозин, урацил, тимин. Открыты минорные
азотистые основания (5-метил- и 5-оксиметилцитозин,
дигидроурацил, псевдоурацил, 4-тиоурацил, 1-метилгуанин и
др.). Встречаются редко. Их содержание наиболее высоко в тРНК
(10% от общего содержания азотистых оснований).
2. Пентозы: рибоза, дезоксирибоза.
3. Фосфорная кислота.

5.

Азотистое основание + пентоза → нуклеозид:
Аденин + (дезокси)рибоза → аденозин
Гуанин + (дезокси)рибоза → гуанозин
Цитозин + (дезокси)рибоза → цитидин
Урацил + рибоза → уридин
Тимин + дезоксирибоза → тимидин
Нуклеозид + Н3РО4 → нуклеотид

6. Пиримидиновые основания

7. Пуриновые основания

8. Пентозы

β-Д-дезоксирибоза
β-Д-рибоза

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15. Строение ДНК

Молекула ДНК образована двумя
полинуклеотидными цепями закрученными в
спираль (исключение – некоторые ДНК-содержащие
вирусы имеют одноцепочечную ДНК). Диаметр
двойной спирали ДНК – 1,8 нм, расстояние между
соседними нуклеотидами – 0,34 нм, на один оборот
спирали приходится 10 пар нуклеотидов. Длина
молекулы может достигать нескольких сантиметров.
Молекулярный вес – десятки и сотни миллионов.
Суммарная длина ДНК ядра клетки человека – около
2м. В эукариотических клетках ДНК образует
комплексы с белками и имеет специфическую
пространственную конформацию.

16.

Схематическое изображение двухцепочечной спиральной
структуры молекулы ДНК

17. Первичная структура ДНК

Под первичной структурой понимают порядок,
последовательность расположения
мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Эта
цепь стабилизируется 3', 5'-фосфодиэфирными
связями. Концевые нуклеотиды ДНК различаются
по структуре: на 5'-конце находится фосфатная
группа, а на 3'-конце цепи – ОН-группа. Эти
концы называются 5'- и 3'-концами.

18.

NH2
N
O
N
H
N
N
C
OH O
C
C
C
H
H
H
O
P
O
O
NH2
O
N
H
O
CH2
N
C
OH
OH
C
C
C
H
H
H
CH2
O
P
O

19.

Правила Э. Чаргаффа
Изучив химический состав ДНК в 1950 году,
Чаргафф обнаружил, что в молекуле ДНК:
1. Пурины и пиримидины всегда равны в
количественном отношении, т.е. А+Г=Т+Ц.
2. Количество аденина всегда равно количеству
тимина, а количество гуанина всегда равно
количеству цитозина, т.е. А=Т, Г=Ц.
Эти особенности химического состава ДНК легли в
основу установления ее химических и физических
свойств, пространственной структуры молекулы, а
также механизма генетического кода.

20. Вторичная структура ДНК

Это спираль, образованная двумя
полинуклеотидными цепями, закрученными
относительно друг друга и вокруг общей оси.
Двойная спираль правозакрученная,
полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны,
т.е. одна из них ориентирована в направлении
3'→5', вторая 5'→ 3'. Азотистые основания
располагаются внутри двойной спирали. А
пентозофосфатный остов – снаружи.

21.

22. Образование двойной цепи ДНК

Две цепи соединяются благодаря водородным
связям, которые возникают между аминогруппой
в составе аденина, гуанина, цитозина одной
цепи и кетогруппой в составе тимина, цитозина
и гуанина другой полинуклеотидной цепи.
Водородные связи образуются между такими
азотистыми основаниями двух цепей: аденин и
тимин (две связи), гуанин и цитозин (три связи).
Две
цепи
ДНК
не
идентичны,
но
комплементарны между собой, то есть они
дополняют друг друга (комплементарность –
дополнение, достройка).

23.

Комплементарность
– строгое соответствие азотистых оснований одной
цепи ДНК другой (А – Т, Г – Ц) или образуемой
РНК (А – У, Г – Ц).
На
основе
комплементарности
матричные процессы:
1. Репликация ДНК.
2. Репарация ДНК.
3. Транскрипция ДНК.
4. Трансляция м-РНК.
протекают

24.

Схематическое строение молекулы ДНК

25.

26.

Принцип комплементарности имеет большое
значение. При размножении клеток (при
митозе) каждая молекула ДНК разделяется на
две самостоятельные цепи, после чего по
принципу комплементарности образуется
вторая полинуклеотидная цепь, то есть
возобновляется вся молекула ДНК со всей
заложенной в ней генетической информацией.
Это обеспечивает хранение генетической
информации и возможность ее передачи из
поколения в поколение.

27. Третичная структура ДНК

В клетках ДНК образует суперспирали, что
обеспечивает компактность ее упаковки. ДНК
длиной до 4 см располагается в хромосоме
размером до 5 нм. Длина ДНК уменьшается в 100
тысяч раз. Третичная структура ДНК эукариот
формируется путем взаимодействия с ядерными
белками и на определенном этапе клеточного
цикла приобретает форму хромосом.
В митохондриях обнаружена кольцевая ДНК, что
вызвано ковалентными соединениями их концов.

28.

29.

Организация ДНК в клетке.
ДНК в клетке находится в ядре, где организована
в виде хроматина (комплекс ДНК + белки).
Из хроматина формируются хромосомы при
подготовке клетки к делению.
В зависимости от степени конденсации
различают эухроматин и гетерохроматин.

30.

Структура ДНК очень прочная и стабильная,
практически не повреждается физическими или
химическими
агентами.
По
реакционной
способности ДНК относится к группе химически
неактивных веществ. Этим обеспечивается
стабильность наследственной информацию,
постоянство генотипов и фенотипов живых
организмов на протяжении тысячелетий.

31.

Свойства ДНК
1. Репликация ДНК – процесс самоудвоения. Он происходит во
время S-периода интерфазы. Копии ДНК поровну
распределяются в дочерние клетки в период митоза.
2. Она реализует свою генетическую информацию в процессе
транскрипции. При этом на ДНК образуется различные
молекулы РНК, которые непосредственно участвуют в синтезе
белков.
3. Время от времени ДНК способна к мутации - внезапному и
быстрому изменению структуры генов, что обеспечивает
изменчивость.
4. Молекулы ДНК способны к рекомбинации, что обеспечивает
разнообразие гамет и потомков.
5. Репарация («ремонт») – процесс устранения повреждений
нуклеотидной последовательности ДНК. Этот процесс
поддерживает стабильность генетической информации.

32.

Генетический код
Последовательность трех нуклеотидов, несущей
информацию об одной аминокислоте, называется
триплетом или кодоном.
Генетический код – строгая последовательность
триплетов в ДНК и м-РНК, контролирует
порядок расположения аминокислот в белке. Это
значит, что положение каждой аминокислоты в
полипептидной цепи зависит от положения
триплета в ДНК.
А, Г, Т, Ц могут образовать 43 = 64 триплета.

33.

РНК – полимер, состоящий из рибонуклеотидов, которые
содержат азотистое основание (аденин, гуанин,
цитозин, урацил), рибозу и остаток фосфорной кислоты.
Рибоза, взаимодействуя с остатками фосфорной
кислоты другого нуклеотида, образует цепь, на которой
расположены азотистые основания. Все виды РНК
синтезируются на молекулах ДНК при участии РНКполимераз и многих других ферментов. По принципу
комплементарности в синтезируемой молекуле РНК
напротив аденина молекулы ДНК встраивается урацил,
напротив гуанина ДНК в молекулу РНК встраивается
цитозин, напротив тимина ДНК в РНК становится
аденин. Если содержание ДНК в клетках постоянно, то
содержание РНК сильно колеблется в зависимости от
типа клетки, интенсивности метаболизма и синтеза
белков.

34.

35.

Выделяют три вида РНК:
1) информационная (матричная) РНК –
иРНК (мРНК),
2) транспортная РНК – тРНК,
3) рибосомная РНК – рРНК.
Все виды РНК представляют собой неразветвленные
полинуклеотиды, имеют специфическую
пространственную конформацию и принимают
участие в процессах синтеза белка. Информация о
строении всех видов РНК хранится в ДНК.
Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется
транскрипцией

36.

Матричная РНК
является матрицей, на которой строится полипептид.
Молекулы мРНК образуются на специфических
участках ДНК, называемых структурными генами. Они
несут в цитоплазму закодированную информацию о
первичной структуре белков – последовательности
аминокислот в полипептидных цепях. мРНК
соединяется с рибосомами и использует эту
информацию для синтеза белков. Матричная РНК
является шаблоном, на котором строятся полипептиды
в соответствии с заложенной в ней генетической
информацией. Обычно она несет информацию о синтезе
только одной разновидности белка. Порядок
расположения аминокислот кодируется
последовательностью нуклеотидов молекулы мРНК
(генетический код). Каждой аминокислоте
соответствует свой триплет нуклеотидов (кодон).
Молекулы мРНК состоят примерно из 300-3000
нуклеотидов. В общей массе они составляют 0,5-3,0%
от общего количества РНК клетки.

37.

Транспортная РНК (тРНК)
Молекулы тРНК образуются на особых генах
ДНК. тРНК короткие, однонитевые, имеют
форму клеверного листа из-за комплементарного
соединения оснований на разных участках цепи.
Состоит из небольшого числа нуклеотидов – 7590. Из общей массы РНК тРНК составляет ~1015%. Молекулы тРНК переносят к местам
синтеза белков соответствующие только им
аминокислоты из фонда аминокислот в
цитоплазме. Каждой аминокислоте
соответствует своя тРНК, имеющая некоторые
особенности нуклеотидной последовательности
и пространственной структуры. Известна 31
разновидность тРНК.

38.

т-РНК имеют 4 ключевые области: 1) несущий АМ конец
(образован двумя комплементарными конечными
участками РНК; состоит из 7 пар оснований; 3’ конец
этого участка длиннее и формирует участок одной
цепи,
которая
заканчивается
ЦЦА
последовательностью со свободной ОН-группой, к
этой группе присоединяется аминокислота, которая
транспортируется);
2) распознающий участок (антикодон) – состоит из 5
нуклеотидов; в центре имеет три специфических
рибонуклеотида (триплет), который называется
антикодоном; азотистые основания антикодона
комплементарны
триплету
на
цепи
м-РНК;
комплементарный антикодону т-РНК триплет на цепи
м-РНК называется кодоном; в период синтеза белка
антикодон находит соответствующий ему кодон на
м-РНК и временно присоединяется к нему
водородными связями;

39.

3) участок связывания фермента
аминоацилт-РНК-синтентазы, который катализирует
присоединение аминокислоты к молекуле т-РНК;
4)участок связывания с рибосомой – определенная
последовательность нуклеотидов т-РНК,
предназначенная для прикрепления к рибосоме.
Основной функцией тРНК является:
точное узнавание определенного кодона в мРНК
транспорт строго определенной аминокислоты к
месту синтеза полипептида.

40. Строение транспортных РНК

41.

42.

Рибосомальная РНК (рРНК)
Рибосомальная РНК образуется на особых генах
ДНК в ядрышке. рРНК - крупная
одноцепочечная разветвленная молекула,
включающая 3000-5000 нуклеотидов. Из общей
массы РНК на ее долю приходится до 90%.
Рибосомальная РНК образует структурный
«каркас» рибосомы, ей принадлежит важная
роль в инициации, элонгации и терминации
процесса синтеза белков. рРНК обеспечивают
связывание мРНК с рибосомами с помощью
определенных последовательностей
нуклеотидов.

43. Основные отличия ДНК от РНК

Признак
1. Молекулярная
масса
ДНК
РНК
Высокомолекулярная
(6-36 млн. Да)
Более низкомолекулярная
(30 тыс.-2 млн. Да)
2. Строение молекулы 2 полинуклеотидные
цепи
1 полинуклеотидная цепь
3. Азотистые
основания
А, Г, Ц, Т
А, Г, Ц, У
4. Пентозы
дезоксирибоза
рибоза
5. Локализация
99 % - ядро,
1% - митохондрии
90 % – цитоплазма,
10 % - ядрышко
6. Виды
Один вид
м-РНК (и-РНК) –
матричная, или
информационная
т-РНК – транспортная
р-РНК – рибосомная
7. Функции
Хранение и передача
генетической
информации
Обслуживание различных
этапов биосинтеза
белков

44.

Макроэргические соединения — группа природных
веществ, молекулы которых содержат богатые энергией,
или макроэргические, связи; присутствуют во всех
живых клетках и участвуют в накоплении и
превращении энергии. Разрыв макроэргических связей в
этих молекулах сопровождается выделением энергии,
используемой для биосинтеза и транспорта веществ,
мышечного сокращения, пищеварения и других
процессов жизнедеятельности организма.

45. Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

46.

В составе полифосфатных эфиров остатки
фосфорной кислоты, соединены между собой
макроэргической связью (~). В отличие от
обычной, макроэргическая связь
характеризуется высоким запасом энергии.
При распаде этой связи освобождается
приблизительно 50 кДж/моль энергии.

47. АТФ

48. ГТФ

49. ТТФ

50. ЦТФ

51. УТФ

52. Биологическая роль нуклеотидтрифосфатов

АТФ – универсальный источник энергии,
синтез Н.К., коферментов, других
макроэргов.
ГТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов, белков.
ЦТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе липидов.
УТФ – синтез Н.К., источник энергии при
синтезе углеводов.
ТТФ – синтез Н.К..