ЗООЛОГІЯ НАВЧАЛЬНИЙ ПОСІБНИК - Є. О. Неведомська - 2013
ЛЕКЦІЯ 3. МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИВОЇ МАТЕРІЇ ТВАРИН
6. Органічні сполуки: нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти вперше виявлено в ядрі клітини, звідки й походить назва цих сполук (від лат. nucleus — ядро). До складу молекул нуклеїнових кислот, крім органогенних елементів (С, Н, О, N), неодмінно входить фосфор (Р).
Нуклеїнові кислоти — це біополімери, мономерами яких є нуклеoтиди (від лат. nucleus — ядро).
Молекула нуклеотиду складається із залишків таких компонентів:
✵ азотиста (нітратна) основа — речовина зі складною циклічною структурою молекули — у великій кількості містить карбон і нітроген; основою називається тому, що має основні властивості; розрізняють п’ять видів азотистих основ: аденін (скорочено позначається А); гуанін (Г); цитозин (Ц); тимін (Т); урацил (У);
✵ п’ятикарбоновий (п’ятивуглецевий) моносахарид — пентоза; розрізняють: рибозу та дезоксирибозу; вони відрізняються лише тим, що в дезоксирибозі (тобто позбавленій О рибозі) біля другого атома С розташована не гідроксильна група (-ОН), а Н; аденін, гуанін і цитозин утворюють нуклеотиди як із рибозою, так і з дезоксирибозою; тимін — лише з дезоксирибозою, а урацил — лише з рибозою;
✵ залишок фосфорної кислоти (фосфат), наявність якого визначає кислотні властивості нуклеотиду.
Схема молекули нуклеотиду (схема 1):
Схема 1. Схема молекули нуклеотиду
Крім нуклеотидів, що входять до складу нуклеїнових кислот, неодмінним компонентом будь-якої клітини є вільні нуклеотиди. До складу вільних нуклеотидів входять, крім азотистої основи і пентози, три залишки фосфорної кислоти, які послідовно сполучаються. При чому друга і третя групи фосфорної кислоти приєднуються до нуклеотиду особливими зв’язками, у яких запасається енергія. Ці зв’язки називають макроергічними (від грецьк. makros — великий, ergon — робота) і позначаються значком ~ . При розриві звичайного ковалентного зв’язку вивільняється 12 кДж/моль, а при розриві макроергічного зв’язку — 33 кДж/моль. Саме макроергічні зв’язки в нуклеотидах використовуються для запасання енергії в ході обміну речовин.
Найчастіше роль акумулятора енергії виконує аденозинтрифосфат (АТФ). АТФ складається з азотистої основи — аденіну, пентози — рибози і трьох залишків фосфорної кислоти (фосфатів), які послідовно сполучаються макроергічними зв’язками. Схема молекули АТФ (схема 2):
Схема 2. Схема молекули АТФ
Будь-яка хімічна реакція, що потребує затрат енергії, пов’язана з відщепленням одного залишку фосфорної кислоти в молекулі АТФ і перетворення її на аденозиндифосфат (АДФ). Накопичення енергії в клітині, навпаки, відбувається за рахунок перетворення АДФ на АТФ.
Мононуклеотиди (нуклеотиди, які містять лише один залишок фосфорної кислоти), так само, як амінокислоти і моносахариди, здатні реагувати між собою. Перебіг такої реакції супроводиться виділенням молекули води і утворенням міцного ефірного зв’язку. Сполучною речовиною між нуклеотидами слугує залишок фосфорної кислоти, що скріплює пентози сусідніх нуклеотидів, формуючи полімер — полінуклеотид, який звичайно називають нуклеїновою кислотою. Вона може містити від кількох сотень до кількох мільйонів нуклеотидів. Полінуклеотиди мають суворо лінійну структуру ланцюга. Маса нуклеїнових кислот, як правило, значно вища від маси білків.
Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, розрізняють два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). До складу ДНК входить залишок дезоксирибози, а РНК — рибози. У молекулі ДНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну. У молекулі РНК містяться залишки таких азотистих основ: аденіну, гуаніну, цитозину і урацилу.
Отже, до складу молекули ДНК і РНК входить по чотири типи нуклеотидів, які відрізняються за типом азотистої основи.
Дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) зосереджена в ядрі, її практично немає в цитоплазмі клітини. Цей тип нуклеїнових кислот утворює дуже великі молекули (масою до 100 000 000). Вміст ДНК в ядрі клітини постійний, вона виконує єдину функцію — зберігає генетичну інформацію.
Молекули ДНК, так само як і білки, утворюють кілька рівнів просторової організації:
✵ первинна структура ДНК — це певна послідовність розташування нуклеотидів у ланцюзі ДНК;
✵ вторинна структура ДНК — це подвійна спіраль;
✵ третинна структура ДНК — це суперспіраль (багаторазове згортання); саме така структура ДНК в ядрі клітині. Така укладка здійснюється за допомогою спеціальних білків — гістонів, що мають лужні властивості, а молекули ДНК намотуються на ці білки наче нитки на котушку. Завдяки цьому молекула ДНК, довжина якої, наприклад в людини, 8 см, укладається в клітинне ядро, що його можна розглянути лише під мікроскопом.
ДНК, як і білки, можуть денатурувати (втрачати геометричну форму і розпадатися на одинарні ланцюги) під впливом різних чинників. Цей процес відбувається при температурі +70°С, — значно вищій від температури денатурації білків, і тому називається плавленням. За певних умов можливе й відновлення природної структури — ренатурація.
Рибонуклеїнові кислоти (РНК) містяться як в ядрі клітини, так і в цитоплазмі, і відзначаються незначними розмірами — від 75 до кількох тисяч нуклеотидів. Молекули РНК, на відміну від ДНК, складаються лише з одного ланцюга (схема 3).
Схема 3. Схема будови РНК (на схемі фосфат позначено літерою Р)
Відомо три основні типи РНК:
1) транспортна (тРНК) — це невеликий полінуклеотид, що складається в середньому з 80 нуклеотидів; вона виконує функцію транспортування амінокислот під час синтезу білків;
2) інформаційна (ІРНК), або матрична (мРНК) — містить інформацію про послідовність структури різних білків, тому має різноманітну структуру і розмір у багато разів більший за тРНК;
3) рибосомна (рРНК) — є головний компонент рибосом — органел клітини, у яких відбувається синтез білка.
Усі типи РНК синтезуються на молекулах ДНК у процесі транскрипції (від лат. transcriptio — переписування). Ферменти розплітають спіраль ДНК на невеликій ділянці, пересуваються уздовж однієї нитки ДНК і послідовно створюють комплементарну нитку РНК.
Відмінність транскрипції від реплікації полягає в тому, що навпроти А в ланцюгу ДНК в РНК розміститься У, а не Т.
Усі типи РНК беруть тільки в певному, але надзвичайно важливому для життя клітини процесі — біосинтезі білка. Він забезпечує оновлення білків, ріст і функціонування клітин.