Урок Бесплатно Нуклеиновые кислоты. АТФ. Витамины

Название нуклеиновых кислот произошло от слова «нуклеус» - от латинского "ядро". Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядре клеток в 1868 году швейцарским учёным Иоганном Фридрихом Мишером.

Долгое время функция нуклеиновых кислот в клетке была неясна, считалось что эти вещества являются всего лишь запасником фосфора в организме.

Хотя Ф. Мишер писал, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения, но до середины XX века биологи так и не могли разгадать загадку нуклеиновых веществ.

По мнению ученых того времени, строение молекул нуклеиновых кислот было слишком однообразным и не могло рассматриваться в качестве носителя генетической информации.

Постепенно было доказано, что именно нуклеиновые кислоты являются носителем наследственной информации, благодаря им дочерние клетки наследуют свойства и признаки материнской клетки.

Нуклеиновые кислоты- природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации в живых организмах.

Нуклеиновые кислоты- биологические полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.

К нуклеиновым кислотам относят:

• дезоксирибонуклеиновую кислоту- ДНК
• рибонуклеиновую кислоту- РНК

ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и выполняют важнейшие функции по хранению, передаче и реализации наследственной информации.

ДНК у прокариот находится в цитоплазме в составе нуклеоида.

ДНК у эукариотических организмов содержится исключительно в ядре клетки.

РНК содержится и в ядре, и в ядрышке, и в цитоплазме эукариотических клеток.

Нуклеотид (мономер) нуклеиновых кислот состоит из:

• азотистого основания
• остатка углевода- пентозы (рибоза в РНК, дезоксирибоза в ДНК)

• остатка фосфорной кислоты

Связи между нуклеотидами легко подвергаются распаду при реакции с водой (гидролиз).

Азотистые основания- это ароматические гетероциклические соединения, производные пиримидина или пурина.

Пять соединений этого класса являются основными структурными компонентами нуклеиновых кислот, общими для всей живой материи.

Пуриновые основания являются производными пурина, молекула которого состоит из двух гетероциклов. К пуриновым основаниям относятся:

• аденин
• гуанин

Пиримидиновые основания наиболее просто устроены и к ним относят:

• урацил
• тимин
• цитозин

Для сокращения названий нуклеотидов в биологии принято обозначать одной буквой- первой буквой их названия:

цитозин- Ц

гуанин- Г

аденин- А

тимин- Т

урацил- У

ДНК- дезоксирибонуклеиновая кислота

Нуклеиновую кислоту, содержащую дезоксирибозу, называют дезоксирибонуклеиновой кислотой или ДНК.

ДНК- это вещество, которое отличается необычным молекулярным строением и не похоже ни на одно химическое соединение.

Функции ДНК:

• кодирование аминокислот
• служит матрицей для синтеза всех видов РНК 
• хранение наследственной информации

Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные друг вокруг друга цепи:

Используя все имеющиеся данные о нуклеиновых кислотах, в 1953 году в США учеными Ф.Криком и Д.Уотсоном была смоделирована пространственная модель ДНК, где четко видно, что ДНК- это полимер, а его мономерами являются нуклеотиды.

Нуклеотид ДНК состоит из 3-х компонентов:

• азотистого основания четырех видов (тимин, цитозин, аденин, гуанин)
• пятиатомного сахара- дезоксирибозы
• остатка фосфорной кислоты

Нуклеотиды соединены в одной цепи через углевод одного нуклеотида и остаток фосфорной кислоты соседнего нуклеотида прочной ковалентной связью.

В двойную цепь нуклеотиды соединены комплементарно через азотистые основания водородными связями:

• между аденином и тимином двойная водородная связь 

• между гуанином и цитозином тройная водородная связь

Нуклеотидный состав ДНК в 1905 г. впервые количественно проанализировал американский биолог Эрвин Чаргафф.

Он обнаружил, что в молекуле ДНК число пуриновых оснований всегда равно числу пиримидиновых.

Молекулярное количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно цитозину- это правило Чаргаффа или принцип комплементарности (дополнительности).

Согласно принципу комплементарности можно восстановить недостающую цепь ДНК.

Задача:

Первая цепочка ДНК имеет следующую последовательность нуклеотидов:

А- Г- Ц- Т- Т- Ц- Г- Г- А- Г

достойте вторую цепочку ДНК, используя принцип комлементарности.

Решение:

Мы видим, что первый нуклеотид в первой цепи ДНК- аденин (А), смотрим правило комплементарности:

значит, аденину (А) соответствует тимин (Т).

Далее второй нуклеотид в первой цепи гуанин (Г). Опять обращаемся к принципу комплементарности, гуанин (Г) соответствует цитозину (Ц).

И таким образом, мы можем достроить всю вторую цепь ДНК.

Первая цепь ДНК: А- Г- Ц- Т- Т- Ц- Г- Г- А- Г

Вторая цепь ДНК: Т- Ц- Г- А- А- Г- Ц- Ц- Т- Ц

Кроме достраивания цепей ДНК в ЕГЭ присутствуют задачи на определение количества (%) нуклеотидов в гене и определение длины гена.

Для решения таких задач тоже используют правило Чаргаффа: молекулярное количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно цитозину.

Нуклеотиды расположены на расстоянии друг от друга 0,34 нм и молекулярная масса одного нуклеотида равна 345. Эти величины постоянные, они также используются для решения задач по ДНК.

Примеры задач:

Задача

В молекуле ДНК доля тиминовых нуклеотидов составляет 15% от общего количества нуклеотидов.

Определите количество других видов нуклеотидов в данной молекуле ДНК.

Решение:

1. По правилу Чаргаффа количество Тимина (Т) в ДНК равно аденину (А), следовательно, если доля Т = 15%, значит, и А будет = 15%.

2. В сумме А + Т = 30% 

3. Всего всех нуклеотидов ДНК = 100%, из них на долю А + Т приходится 30%

4. 100% - 30% = 70%, то есть 70% приходится на гуанин (Г) и цитозин (Ц)

5. Количество Ц = Г , следовательно, 70% : 2 = 35% (35% = Г; 35% = Ц)

Ответ: А = (15%), Т = (15%), Г = (35%), Ц = (35%)

Задача

Участок цепи ДНК содержит 1500 нуклеотидов. В одной из цепей содержится 150 нуклеотидов А, 200 нуклеотидов Т, 250 нуклеотидов Г и 150 нуклеотидов Ц. Сколько нуклеотидов каждого вида будет во второй цепи ДНК?

Решение:

По правилу Чаргаффа в ДНК количество гуанина (Г) равно цитозину (Ц), количество тимина (Т) равно аденину (А). Если А в первой цепочке 150 нуклеотидов, значит и Т во второй цепи будет тоже 150, следовательно, получается:

1-я цепь:          2-я цепь:

А = 150             Т = 150

Т = 200             А = 200

Г = 250             Ц = 250

Ц =1 50             Г = 150

Ответ: Во второй цепи ДНК: Т=150; А=200; Ц=250; Г=150

Задача

В молекуле ДНК обнаружено 880 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 22% от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Сколько каждого нуклеотида содержится в этой молекуле ДНК? Какова длина этой молекулы ДНК?

Решение:

1) Исходя из принципа комплементарности (А + Т) + (Г+ Ц) = 100%

Тогда количество цитидиловых нуклеотидов равно: Г = Ц = 880, или 22%, то есть Г = 22% и Ц = 22%

2) На долю (Т + А) приходится: 100% - (22% + 22%) = 56%- количество Т и А

3) Необходимо посчитать количество нуклеотидов, исходя из процентных данных. Составляем пропорцию:

880 = 22%

Х = 56%

Х = (880*56) : 22 = 2400 нуклеотидов, приходится в сумме на А+Т

Так как А = Т, то 2400 : 2=1120 нуклеотидов, то есть 1120 = А и 1120 нуклеотидов Т

3)  Всего в этой молекуле ДНК содержится (880 х 2) + (1120 х 2) = 4000 нуклеотидов.

4) Для определения длины ДНК узнаем, сколько нуклеотидов содержится в одной цепи:

4000 : 2 = 2000

Мы знаем, что нуклеотиды расположены на расстоянии друг от друга 0,34 нм и вычисляем длину ДНК в одной цепи:

0,34 нм х 2000 нуклеотидов= 680 нм.

Ответ: в молекуле ДНК Г = Ц = 880 и А = Т = 1120 нуклеотидов; длина этой молекулы 680 нм.

Синтез ДНК

Каждая молекула ДНК способна к самоудвоению, в основе которого лежит тот же принцип комлементарности (дополнительности). Этот принцип поможет понять, как строится новая молекула ДНК в новой клетке.

Перед каждым делением клетки (в интерфазе) происходит образование новой молекулы ДНК под действием фермента дезоксирибонуклеазы.

Фермент разрывает двойную цепь ДНК и спираль раскручивается.

Каждая отдельная цепь собирает новую молекулу ДНК по принципу комплементарности, в результате образуется две молекулы ДНК.

Этот процесс называется редупликация ДНК- копирование молекулы ДНК.

Нуклеиновую кислоту, содержащую рибозу, называют рибонуклеиновой кислотой или РНК.

РНК- это полимер, мономерами которого являются нуклеотиды.

В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой, и эта цепь очень похожа на одну из цепей ДНК.

РНК участвует в реализации генетической информации.

По своей структуре нуклеотиды РНК очень близки, но не тождественны нуклеотидам ДНК, они также образуют между собой водородные связи.

Цепи РНК значительно короче и их вес меньше цепей ДНК.

Состав мономера (нуклеотида) РНК:

• азотистые основания четырех видов (цитозин, гуанин, аденин, урацил) такие же, как у ДНК, кроме урацила, который очень близок по строению с тимином ДНК
• пятиуглеродный моносахарид (рибоза)
• остаток фосфорной кислоты

Виды РНК

Все виды РНК представляют собой неразветвленные полимеры. Все они принимают участие в процессах образования белка.

Информация о строении всех видов РНК хранится в ДНК.

Процесс синтеза РНК на матрице ДНК называется транскрипцией, этот процесс подробно раскрыт в теме биосинтез белка.

Выделяют три вида РНК:

• информационная (матричная) РНК обозначается иРНК или мРНК
• транспортная РНК обозначается тРНК
• рибосомная РНК обозначается рРНК

Информационная РНК содержит информацию о первичной структуре (аминокислотной последовательности) белков.

Длина зрелой мРНК составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч нуклеотидов.

На долю иРНК приходится до 5% от общего содержания РНК в клетке.

Функции иРНК:

• перенос генетической информации от ДНК к рибосомам
• служит матрицей для синтеза молекулы белка
• определяет аминокислотную последовательность первичной структуры белковой молекулы

Транспортные РНК (тРНК) содержат обычно от 73 до 93 нуклеотидов.

По структуре тРНК напоминают лист клевера.

В клетке встречается около 40 видов тРНК, каждый из них имеет характерную только для него последовательность нуклеотидов.

На долю тРНК приходится около 10% от общего содержания РНК в клетке.

В строении тРНК можно выделить участок, который состоит из трех нуклеотидов-антикодон.

Антикодоны специфически связываются с тройкой нуклеотидов (кодон) на матричной РНК при синтезе белка.

Конкретная тРНК может транспортировать строго определенную аминокислоту, соответствующую ее антикодону.

Функции тРНК - транспорт аминокислот к месту синтеза белка, к рибосомам, трансляционный посредник.

Рибосомные РНК (рРНК) содержат от 3000 до 5000 нуклеотидов.

На долю рРНК приходится 80- 85% от общего содержания РНК в клетке.

В комплексе с рибосомными белками рРНК образует рибосомы- органоиды, осуществляющие синтез белка.

В эукариотических клетках синтез рРНК происходит в ядрышках.

Функции рРНК:

• необходимый структурный компонент рибосом и обеспечение функционирования рибосом
• обеспечение взаимодействия рибосомы и тРНК

Все виды РНК синтезируются в клеточном ядре на матрице ДНК под действием ферментов полимераз.

Таблица сравнения ДНК и РНК

АТФ- аденозинтрифосфат или аденозинтрифосфорная кислота.

Все проявления жизнедеятельности, все функции клетки осуществляются с затратой энергии.

Энергия требуется для движения, биохимических реакций, переноса веществ через клеточные мембраны, для любых форм клеточной активности.

Источником энергии в живых клетках, обеспечивающим все виды их деятельности, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

АТФ был открыт в 1929 г. Карлом Ломанном, а в 1941 году Фриц Липман показал, что АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

АТФ содержится в каждой клетке животного или растительного организма, в клетках бактерий и вирусах, хотя запас АТФ в клетках не велик.

АТФ содержится в:

• цитоплазме
• митохондриях
• ядре клетки

У растений АТФ:

• образуется в световой фазе фотосинтеза
• используется в темновой фазе при синтезе глюкозы

За счет обменных процессов в организме происходит пополнение истраченных запасов этого богатого энергией вещества.

При усиленной, но кратковременной работе (например, при беге на короткую дистанцию) мышцы работают за счет распада собственного АТФ. После окончания бега спортсмен усиленно дышит, в этот период происходит интенсивное окисление углеводов и других веществ для восполнения израсходованной АТФ.

При длительной напряженной работе содержание АТФ в клетках может существенно не изменяться, так как реакции окисления успевают обеспечить быстрое и полное восстановление израсходованной АТФ.

Итак, АТФ представляет единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клетки.

В организме возможна передача энергии из одних частей клетки в другие и заготовка энергии впрок.

Синтез АТФ может происходить в одном месте клетки и в одно время, а использоваться в другом месте и в другое время.

Наиболее большое количество молекул АТФ можно обнаружить в скелетных мышцах.

АТФ- единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.

По химическому строению АТФ является нуклеотидом.

Состав нуклеотида АТФ:

• азотистое основание- аденин (А)
• углевод- рибоза
• три остатка фосфорной кислоты

АТФ – очень неустойчивая структура. Самопроизвольно или под влиянием фермента в АТФ разрывается связь между фосфором (Р) и кислородом (О). К освободившимся связям легко присоединяются одна или две молекулы воды и отщепляются одна или две молекулы фосфорной кислоты.

Если отщепляется одна молекула фосфорной кислоты, то АТФ переходит в АДФ (аденозиндифосфорную кислоту). Если отщепляются две молекулы фосфорной кислоты, то образуется АМФ (аденозинмонофосфорная кислота).

И теперь самое важное: при реакции отщепления одного остатка фосфорной кислоты выделяется большое количество энергии (40 кДж).

Чтобы подчеркнуть такую высокую энергетическую эффективность фосфорно-кислородной связи в АТФ ее называют «связью, богатой энергией» или макроэргической и обозначают знаком «~»

В АТФ имеются две макроэргические связи.

АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки:

• АТФ синтезируется из АДФ с поглощением энергии
• АТФ распадается на АДФ и АМФ с выделением энергии (обратная реакция)

Синтез АТФ

Два исследователя Пол Д. Бойер (США) и Джон Э. Уолкер (Великобритания) в 1997 году получили Нобелевскую премию за объяснение ферментативного механизма, лежащего в основе синтеза АТФ.

АТФ синтезируется в митохондриях в несколько этапов при реакции специального фермента АТФ-синтазы с фосфатами во время дыхания клетки (окисление глюкозы в присутствии кислорода) и во время фотосинтеза (за счет солнечной энергии).

Синтез молекул АТФ происходит в ходе кислородного этапа энергетического обмена, во время которого в клетке образуется 36 молекул АТФ.

Витамины (лат. vita «жизнь»)- группа низкомолекулярных органических соединений простого строения и разнообразной химической природы, они необходимы для нормального функционирования организма.

Витамины являются составной частью ферментов, ускоряющих обменные процессы в организме.

История открытия витаминов

До XIX века о существовании витаминов ничего не было известно, хотя болезни от нехватки этих веществ у людей активно проявлялись и обычно причины болезненного состояния списывались на инфекцию.

Особенно страдали от нехватки витаминов мореплаватели, которые при длительных путешествиях погибали от цинги- болезни, вызываемой острым недостатком витамина C.

Витамины по большей части содержатся в овощах и фруктах, которые моряки не брали с собой, так как они быстро портились.

При цинге из-за недостатка витамина С нарушается биосинтез коллагена, входящего в состав соединительной ткани. В результате становятся слабыми сосуды, появляются кровотечения, поражаются кости, выпадают зубы, понижается иммунитет.

В 1747 году шотландский врач Джеймс Линд, пребывая в длительном плавании, провел своего рода эксперимент на матросах, больных цингой, дополнительно вводя в их рацион различные продукты.

В ходе этой работы было обнаружено, что у матросов, в рацион которых врач Линд добавлял фрукты, а в частности, цитрусовые лимоны и апельсины, болезнь проходила после 6 дней употребления этих фруктов.

Однако в то время его открытие признания в научном мире не заслужило.

Джеймс Линд и его работа:

В 1795 году лимоны и другие цитрусовые стали стандартной добавкой к рациону британских моряков.

Вторая половина XIX века была периодом бурного развития химии и физиологии.

К тому времени были получены основные сведения о химической природе главных составных частей пищи: белков, жиров, углеводов.

В 1880 году русский врач Николай Иванович Лунин в 26 лет экспериментально доказал, что в молоке содержатся некие вещества, незаменимые для питания.

Опыт Лунина Н.И. состоял в следующем:

Исследователь взял две группы мышей.

Первую группу мышей кормил натуральным коровьим молоком, а вторую группу смесью белков, жиров, углеводов и минеральных солей, по составу и в соотношениях полностью соответствовавших коровьему молоку.

Опыт длился 70 дней.

Животные первой группы, питавшиеся натуральным молоком, оставались здоровыми на всем протяжении опыта.

Мыши из второй группы, питавшиеся смесью, погибали в срок от 11 до 21 дня.

Н.И.Лунин писал в своей диссертации: «В молоке, кроме казеина, жира, молочного сахара и солей, должны содержаться другие вещества, которые совершенно необходимы для питания. Обнаружить эти вещества и изучить их значение представляет большой интерес».

Именно исследование Н.И.Лунина можно считать первыми доказательствами существования витаминов, а самого Лунина российским первооткрывателем витаминов.

Далее история учения о витаминах продолжится в ходе изучения болезни «Бе́ри-бе́ри», которая была характерна для японских жителей, питавшихся очищенным рисом.

Истоки заболевания были найдены спустя годы.

В 1897 году ирландский врач Христиан Эйкман пришел к выводу, что, шлифуя рис, люди лишают себя необходимых полезных веществ, которые входят в состав верхних слоев неочищенных зерен.

В 1911 году польский учёный Казимир Функ, выделил кристаллический препарат из рисовых отрубей, небольшое количество которого излечивало бери-бери. Функ назвал это вещество «витамин»: от латинских слов «vita» (жизнь) и «amine» (азот).

С развитием биологической химии ученные постепенно установили химические формулы витаминов и научились получать их в чистом виде.

Благодаря применению витаминов исчезли такие массовые болезни, как рахит, цинга, пеллагра и другие авитаминозы.

Краткая история открытия жирорастворимых витаминов:

Краткая история открытия водорастворимых витаминов:

Классификация и роль витаминов в организме человека

Большую часть витаминов организм не способен синтезировать сам, поэтому витамины должны попадать в наш организм вместе с пищей.

Источниками витаминов для человека являются пищевые продукты растительного и животного происхождения.

Некоторые витамины образуются микрофлорой кишечника.

Витамины делят на:

• жирорастворимые витамины: А, D, E
• водорастворимые витамины: витамины группы B, С, К, РР (никотиновая кислота)

При недостатке или переизбытке в организме какого-либо витамина наступает болезненное состояние, характеризуемое определенным набором симптомов.

Гиповитаминоз- патологическое состояние, связанное с недостатком в организме определенного витамина.

Авитаминоз- тяжелое патологическое состояние, связанное с отсутствием в организме определенного витамина.

Гипервитаминоз- патологическое состояние, связанное с избытком в организме определенного витамина.

Авитаминозы и гиповитаминозы могут возникать не только в случае отсутствия витаминов в пище, но и при нарушении их всасывания при заболеваниях желудочно-кишечного тракта.

Жирорастворимые витамины накапливаются в жировой ткани и печени, поэтому гиповитаминозы и авитаминозы этих витаминов наблюдаются реже, чем у водорастворимых, которые не могут накапливаться в организме.

Таким образом, чаще наблюдаются гиповитаминозы водорастворимых витаминов и гипервитаминозы жирорастворимых витаминов.

Витаминология- медико-биологическая наука, изучающая структуру и механизмы действия витаминов, а также их применение в лечебных и профилактических целях.

Водорастворимые витамины:

• Витамины группы В входят в состав многих ферментов, содержатся в продуктах (например, в хлебе), некоторые синтезируются кишечными симбионтами
• Витамин С, или аскорбиновая кислота необходим для нормального формирования соединительной ткани. Он защищает от окисления ферменты, ответственные за синтез антител, поэтому помогает иммунной системе; поступает с пищей; при его недостатке развивается цинга
• Витамин К – фактор свертываемости крови; образуется кишечной микрофлорой
• Витамин РР (никотиновая кислота) – участвует в метаболизме белков, жиров, аминокислот, углеводов. Является лекарственным средством

Жирорастворимые витамины:

• Витамин А (ретинол) необходим для образования зрительного пигмента сетчатки - родопсина (при его недостатке развиваются нарушения зрения и болезнь куриная слепота), поступает с пищей
• Витамин D участвует в минерализации костной ткани. Его активная форма формируется в организме при ультрафиолетовом облучении (эндогенный витамин), поэтому связанное с ним заболевание рахит может развиваться при недостатке самого витамина или при недостатке ультрафиолета в зимнее время в северных районах. Витамина D содержится много в рыбьем жире (экзогенный витамин)
• Витамин Е (токоферол) участвует в репродуктивной функции и иммунной защите, поступает с пищей

Различные факторы: кипячение, замораживание, высушивание, освещение могут оказать негативное влияние на витамины и разрушать их.

Наименее стойким из всех витаминов является витамин С, который начинает разрушаться при нагревании всего лишь до 60°С, а также при доступе воздуха, солнечного света, повышении влажности.

Витамин А более устойчив к действию высокой температуры, но легко окисляется при доступе воздуха.

Витамин D выдерживает продолжительное кипячение в кислой среде, а в щелочной быстро разрушается.

Витамины группы В более устойчивы и меньше разрушаются при кулинарной обработке. Наименее стоек из них витамин В1, который распадается при длительном кипячении и повышении температуры до 120°С.

Витамин Е выдерживает кипячение любой длительности.

Длительное хранение и высушивание губительно действуют на витамины А, С, но не разрушают витамины В₁, B₂, D, Е.