Что такое нуклеиновые кислоты биология 9 класс
Нуклеиновые кислоты
Всего получено оценок: 2593.
Всего получено оценок: 2593.
Во всех живых организма присутствуют биополимеры, которые хранят и передают наследственную информацию, а также выполняют ряд других биохимических функций. Такие биополимеры называются нуклеиновыми кислотами.
Нуклеотид
Чтобы понять, что такое нуклеиновая кислота, следует рассмотреть строение мономерного звена. Полимерная молекула нуклеиновой кислоты называется полинуклеотидом и состоит из нуклеотидов.
Эти органические соединения образованы:
Нуклеотиды образуют не только нуклеиновые кислоты, но и являются основой молекул АТФ (аденозинтрифосфата), АДФ (аденозиндифосфата), АМФ (аденозинмонофосфата).
К пуринам относятся аденин и гуанин. Они отличаются наличием двух колец. К пиримидинам относятся тимин, цитозин, урацил. Сахар, связываясь с одним из видов азотистого основания, образует нуклеозид, название которого соответствует названию азотистого основания (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин, уридин).
Рис. 2. Пурины и пиримидины.
Нуклеозид, соединяясь с остатком фосфорной кислоты (РО4), образует нуклеотид. Несколько линейно соединённых нуклеотидов с помощью связи C-O-P образуют цепочку нуклеиновой кислоты.
Нуклеиновые кислоты располагаются в ядре эукариот и в цитоплазме прокариот.
РНК и ДНК
В зависимости от нахождения в нуклеиновой кислоте рибозы или дезоксирибозы выделяют два типа нуклеиновых кислот:
Каждый тип имеет особое строение и выполняет определённые функции. Отличия ДНК и РНК приведены в таблице.
которые читают вместе с этой
Признак
Две спиралевидные цепочки, соединённые водородными связями между азотистыми основаниями нуклеотидов
Аденин, гуанин, цитозин, урацил
Аденин, гуанин, цитозин, тимин
Несколько тысяч нуклеотидов
Несколько миллионов нуклеотидов
Водородные связи между цепочками ДНК образуются согласно принципу комплементарности (соответствия). При образовании новой цепи пурины взаимодействуют только с пиримидинами.
В результате образуются пары:
В цепочке РНК аденину соответствует урацил. Водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, поэтому молекула РНК может иметь разнообразные формы.
ДНК является самой длинной молекулой. Её размер в зависимости от вида организма может достигать 90 м в вытянутом виде.
Значение
Согласно определению нуклеиновые кислоты выполняют три главные функции:
У большинства организмов роль хранения генетической информации выполняет ДНК. В участках нуклеиновой кислоты, называемых генами, содержится информация, которая передаётся от родителя потомству. При реализации генетической информации происходит синтез белков, которые кодируют гены. Синтез осуществляет РНК.
В соответствии с выполняемыми функциями различают три вида РНК:
Виды отличаются между собой размером. Самая большая цепочка РНК – иРНК, самая короткая – тРНК (всего 75 нуклеотидов).
Что мы узнали?
Из урока 9 класса биологии узнали о строении единицы нуклеиновых кислот – нуклеотида. Основу каждого нуклеотида составляет пятиуглеродный сахар. От его строения зависит вид кислоты. В ДНК находится дезоксирибоза, в РНК – рибоза. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК (редко – в РНК). Реализацию этой информации осуществляют виды РНК – мРНК, тРНК, рРНК.
Урок «Нуклеиновые кислоты»
Содержимое разработки
Конспект открытого урока по биологии
Тема урока: Нуклеиновые кислоты.
— раскрыть особенности строения и структуру молекул нуклеиновых кислот, как биополимеров;
— сформировать знания о принципе комплементарности в ДНК;
— определить черты сходства и различия молекул ДНК и РНК;
— практиковать учащихся в применении новых знаний для решения задач.
— развивать умения самостоятельного поиска знаний и навыков работы с учебной литературой;
— развивать логическое мышление через сравнение структуры ДНК и РНК.
— формировать коммуникативные качества личности в здоровьесберегающей среде, умение рационально организовывать свою работу;
— продолжить развитие сотрудничества «учитель-ученик», воспитание культуры общения и культуры речи.
Тип урока: комбинированный.
Образовательная технология: элементы проблемного обучения.
Оборудование: таблица по общей биологии «Строение ДНК», модель молекулы ДНК. Компьютер, диски, проектор, анимационный фильм «Репликация ДНК», инструктивные карты, тесты.
Оформление доски: тема урока, таблица, экран.
2. Контроль выполнения домашнего задания (проверка ранее усвоенных
6. Осмысление, обобщение и систематизация знаний – 9 мин.
I. Организационный момент.
II. Контроль выполнения домашнего задания (проверка ранее усвоенных знаний).
Тестовая проверка знаний о строении и функциях белков с последующим обсуждением ответов. По тестам работают 6 учащихся. С остальными учащимися проводится фронтальная беседа по вопросам: 1) дайте определение понятию биополимеры (Сложные органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов); 2) что такое полимер? (Цепь, состоящая из многочисленных звеньев – мономеров); 3) почему молекулы белков называют макромолекулами? (Молекулы белков имеют большие размеры); 4) назовите мономеры белков? (Аминокислоты); 5) чем белки отличаются друг от друга? (Различным сочетанием всего 20 аминокислот); 6) какими свойствами обладает аминогруппа и карбоксильная группа? (Аминогруппа с основными свойствами, карбоксильная группа с кислотными свойствами); 7) каким образом происходит сцепление между аминокислотами при образовании белкового полимера? (Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реактивность. Через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь); 8) назовите уровни структурной организации белковой молекулы. (Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры); 9) какую функцию выполняют белки–ферменты? (Белки – ферменты способны ускорять биохимические реакции в клетке в десятки и сотни миллионов раз); По окончании фронтального опроса тесты и тетради с ответами собираются, ответы обсуждаются и оцениваются.
III. Сообщение темы, цели и задач урока.
Вступительное слово учителя. Ребята, вы знаете, что у кошки рождаются котята, у зайчихи – зайчата, возникает вопрос: «Почему потомство похоже на своих родителей? Какое вещество является носителем наследственной информации?»
Мы будем искать на этот вопрос ответ в ходе урока.
Итак, тема урока: «Нуклеиновые кислоты». (Ознакомление с новой темой нацеливает учащихся на самостоятельное формулирование целей и задач урока)
IV. Изучение нового материала. Самостоятельная работа с новым материалом.
Учитель. Нуклеиновые кислоты были открыты в 60-х годах 19 века швейцарским ученым Мишером. Он их обнаружил в ядрах клеток и назвал нуклеином (ядро по-латыни нуклеус). Однако в связи с недостаточным уровнем развития лабораторной техники установить точное химическое строение нуклеина Мишер не смог. Лишь к концу 30-х годов 20 столетия был уточнен химический состав нуклеиновых кислот, а также установлено, что имеется два типа нуклеиновых кислот ДНК и РНК и что они входят состав клеток всех без исключения живых существ на Земле.
Для изучения нового материала вам необходимо ответить на вопросы инструктивной карты.
Самостоятельная работа в парах с помощью инструкционной карты и учебника.
Инструкционная карта была роздана до начала урока каждому ученику. Ответы, учащиеся записывают в тетради.
Цель: выяснить особенности строения ДНК и РНК и их функции.
Работайте с партнером по парте. Смотрите учебник параграф 1.6, стр. 29-32.
Вставьте пропущенные слова:
2) Рассмотрите рис. 9, 10, 11. Напишите вещества, входящие в состав нуклеотидов ДНК и РНК
Схема строения нуклеотида ДНК
Схема строения нуклеотида РНК
3) Сколько типов нуклеотидов встречается в молекулах ДНК и РНК?
Напишите соответствующие буквенные обозначения для ДНК и РНК.
Типы нуклеотидов ДНК
Типы нуклеотидов РНК
4) Сколько цепей в молекуле ДНК и РНК?
5) Какими связями соединены цепочки ДНК?
6) В основе строения молекул ДНК лежит принцип комплементарности. Комплементарность – это взаимное дополнение азотистых оснований молекуле ДНК. Аденину соответствует тимин, а гуанину – цитозин (А-Т, Г-Ц). Используя этот принцип, постройте вторую цепь ДНК: Т-Т-Г-Ц-А-Г-Ц-А
7) Какова функция ДНК?
8) Какие типы молекулы РНК выделяют? Каковы их функции?
V. Восприятие и осознание учащимися нового материал.
По окончании работы с инструкционной картой фронтальное обсуждение ответов учащихся и корректировка через показ слайдов. Вопросы высвечиваются на слайдах, затем проявляются ответы.
— какие типы нуклеиновых кислот существует? (ДНК и РНК);
— где в клетке содержится ДНК? (Ядро, митохондрии, хлоропласты);
— что является мономерами нуклеиновых кислот? (Нуклеотид);
-каковы особенности строения нуклеотидов ДНК? (Азотистое основание, углевод дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты);
-каковы особенности строения нуклеотидов РНК? (Азотистое основание, углевод рибоза и остаток фосфорной кислоты).
— Что собой внешне представляет ДНК? (Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей, которые по всей длине соединены друг с другом водородными связями. Такую структуру, свойственную только молекулам ДНК, называют двойной спиралью.)
Слово учителя. В конце 19 века было известно, что в ядре находятся хромосомы, которые состоят из ДНК и белка. Знали, что ДНК передает наследственную информацию, но главное оставалось тайной. Как же работает такая сложная система? Решить эту задачу можно было, только узнав устройство загадочной ДНК. После 2-х лет кропотливой работы ученые Дж. Уотсон и Ф.Крик предложили изящную и простую модель молекулы ДНК. Потом еще 10 лет после этого открытия ученые разных стран проверяли догадки Уотсона и Крика, и, наконец, вердикт был вынесен: “Все верно, ДНК устроена именно так!” Уотсон, Крик и Моррис Уилкинс получили за это открытие в 1953 году Нобелевскую премию.В апреле 1953 года великий датский физик Нильс Бор получил письмо от американского ученого Макса Дельбрюка, где он писал:»Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, что Джеймс Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году (открытие атомного ядра)».
— Какая прослеживается закономерность в расположении азотистых оснований? (При образовании двойной спирали ДНК азотистые основания одной цепи располагаются в строго определенном порядке против азотистых оснований другой. Обнаруживается важная закономерность: против аденина одной цепи всегда располагается тимин другой цепи, против гуанина – цитозин, и наоборот.)
— Какой принцип называют принципом комплементарности? (Принцип дополнения одного азотистого основания другим.)
Молекула ДНК обладает уникальной способностью к самовоспроизведению (к удвоению). Удвоение ДНК – репликация. Под влиянием ферментов водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и молекула «расплетается». Две цепи расходятся и вдоль каждой образуются новые, согласно принципу комплементарности. В результате из одной молекулы ДНК получаются две абсолютно идентичные, только дочерние состоят из одной старой цепи и одной новой.
Просмотр анимационного фильма “Репликация ДНК”.
Вопросы по фильму: благодаря чему ДНК может самоудваиваться? какое значение имеет репликация ДНК? (Благодаря самоудвоению ДНК, происходят процессы деления клеток.)
В ходе повторного просмотра фильма при выключенном звуке учащиеся комментируют процесс и отвечают на вопросы учителя.
Таким образом, ДНК передает хранящуюся в ней информацию о структуре белковых молекул.
— Какие типы РНК выделяют? (Выделяют три типа РНК, различающихся по структуре, величине молекул, расположению в клетке и выполняемым функциям.)
Какие функции выполняют разные типы РНК?
(р-РНК – участвует в формировании активного центра рибосомы,
т-РНК – транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка,
И-РНК – переносит информацию о структуре белка из ядра клеток к рибосомам, где эта информация реализуется.)
VI.Осмысление, обобщение и систематизация знаний.
1.этап. Игра «Кто быстрее?» Заполните таблицу, которая демонстрируется на интерактивной доске.
Учащиеся заполняют в тетрадях. Затем на доске появляются ответы.
Сходство и различия молекул ДНК и РНК.
Презентация «Нуклеиновые кислоты» (9 класс)
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Проверка знаний по теме «Белки, состав, структура, функции» (работа на 10-12 минут) *
* На выполнение задания – 2 минуты На «4» 2. Вместо точек проставьте соответствующие функции белков А) Ускоряя химические реакции в клетке, белки выполняют … функцию. А) Ферменты выполняют… функцию Б) Белки-гормоны выполняют … функцию Б) Антитела выполняют … функцию. В) Гемоглобин выполняет …функцию. В) Белки в составе мышц, хрящей, волос и т.д. выполняют … функцию. Г) Сократительные белки выполняют …функцию Г) Белки клеточных мембран, улавливающие воздействия на них выполняют… функцию.
Нуклеиновые кислоты – биополимеры, состоящие из мономеров- нуклеотидов (НК) *
СТРОЕНИЕ НК Углевод – дезоксирибоза Азотистое Основание (А, Г, Ц, Т) Остаток ФК ДНК РНК Углевод – рибоза Азотистое основание (А, Г, Ц, У) Остаток ФК
* ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота Состав нуклеотида в ДНК Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Тимин (Т) Дезокси- рибоза Остаток фосфорной кислоты
* РНК рибонуклеиновая кислота Состав нуклеотида в РНК Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Урацил (У): Рибоза Остаток фосфорной кислоты Информационная (матричная) РНК (и-РНК) Транспортная РНК (т-РНК) Рибосомная РНК (р-РНК)
* СТРУКТУРЫ ДНК И РНК Дж.Уотсон и Ф.Крик Открыли структуру ДНК в 1953г.
Что такое нуклеиновые кислоты биология 9 класс
1. Определение ДНК
Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные линейные полимеры. Так как содержание нуклеиновых кислот больше всего в ядре, то они получили свое название от латинского слова nucleus («ядро», лат.). Впрочем, нуклеиновые кислоты содержатся не только в ядре, где, безусловно, их больше всего, но и в хлоропластах и митохондриях (рис. 1).
Рис. 1. Органеллы, в которых содержится ДНК
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые состоят из мономеров – нуклеотидов. Молекула нуклеотида состоит из трех составных частей: из пятиуглеродного сахара – пентозы, из азотистого основания и остатка фосфорной кислоты (рис. 2).
Сахар, входящий в состав нуклеотида, представляет собой пентозу, то есть он является пятиуглеродным сахаром. В зависимости от вида пентозы (дезоксирибоза или рибоза) различают молекулы ДНК и РНК (рис. 3).
Рис. 3. Химический состав нуклеотидов
Азотистые основания. Во всех типах нуклеиновых кислот: ДНК или РНК, содержатся основания четырех разных видов (рис. 4). В ДНК: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В РНК вместо тимина (Т) урацил (У).
Фосфорная кислота. Нуклеиновые кислоты являются кислотами, потому что в их состав входит остаток фосфорной кислоты. Обратите внимание на то, что остаток фосфорной кислоты присоединен к сахару по гидроксильной группе 3 ’ и 5 ’ углеродом атома (рис. 5).
Рис. 5 Фосфодиэфирная связь между отдельными нуклеотидами в цепочке нуклеиновой кислоты
Это очень важно для понимания того, каким образом нуклеотиды образуют нуклеиновую кислоту. Они соединяются друг с другом с помощью т. н. фосфодиэфирной связи.
2. Структура молекулы ДНК
Нуклеиновые кислоты, как и белки, имеют первичную, вторичную и третичную структуру. Первичная структура ДНК – это последовательность нуклеотидных остатков в полинуклеотидных цепях.
Вторичная структура – пространственная конфигурация полинуклеотидных цепей ДНК
В формировании вторичной структуры полинуклеотидной цепи важное значение имеют водородные связи, которые возникают на основе принципа комплементарности, то есть дополнительности или соответствия между парами оснований: аденином и тимином, гуанином и цитозином
Эти комплементарные пары способны образовывать между собой прочные водородные связи. Так, между аденином и тимином формируются две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили пространственную модель структуры ДНК (рис. 9).
Рис. 9. Лауреаты Нобелевской премии «за создание пространственной модели ДНК»
Согласно этой модели, молекула ДНК представляет собой двухцепочечную правозакрученную спираль, состоящую из комплементарных друг другу антипараллельных цепей.
Эти цепи связаны друг с другом азотистыми основаниями. Если «раскрутить» молекулу ДНК, то она будет напоминать винтовую лестницу. Две цепочки – образованы остатками фосфорной кислоты и пентозы, а перекладины «лестницы» – азотистые основания, которые взаимодействуют друг с другом с помощью водородных связей.
Между аденином и тимином возникают две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три.
3. Третичная структура ДНК
У всех живых организмов молекула ДНК плотно упакована с образованием сложных трехмерных структур. Нахождение ДНК в суперспирализованном состоянии дает возможность сделать молекулу более компактной (рис. 10).
Рис. 10. Третичная структура ДНК. Сверхплотная упаковка ДНК с белками-гистонами образует хромосому
У всех живых организмов двуспиральная молекула ДНК плотно упакована и образует сложные трехмерные структуры (рис. 11).
Рис. 11. Модели двухцепочечных ДНК
Двухцепочная ДНК бактерий имеет кольцевидную форму и образует суперспираль. Суперспирализация необходима для упаковки громадной по клеточным меркам ДНК в малом объеме клетки.
Например, ДНК кишечной палочки имеет длину более 1 мм, в то время как длина клетки не превышает 5 мкм (в 1 мм = 1000 мкм) (рис. 12).
Рис. 12. ДНК в нуклеоиде бактерий (слева) и в клетках тела человека (справа)
Хромосомы эукариот представляют собой суперспирализованные линейные молекулы ДНК (рис. 13).
Рис. 13. Хромосомы эукариот
В процессе упаковки эукариотическая ДНК обматывает белки – гистоны, располагающиеся вдоль ДНК через определенные интервалы. Эти белки образуют нуклеосомы (рис. 14). Вторым уровнем пространственной организации ДНК является образование хроматина – волокон, из которых состоят хромосомы.
Рис. 14. Третичная структура ДНК
В ядре каждой клетки тела человека, кроме половых клеток, содержится 23 пары хромосом (рис. 15). На каждую из них приходится по одной молекуле ДНК. Длина всех 46 молекул ДНК в одной клетке человека почти равна двум метрам, а число нуклеотидных пар в ней 3,2 млрд.
Рис. 15. Хромосомы человека. Кариотип мужчины
Так что, если бы молекула ДНК не была организована в плотную структуру, то наша жизнь была бы невозможна геометрически.
4. Функции молекулы ДНК
Функции ДНК – хранение и передача наследственной информации.
Хранение наследственной информации. Порядок расположения нуклеотидных остатков в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в молекуле белка. В молекуле ДНК зашифрована вся информация о признаках и свойствах нашего организма.
Передача наследственной информации следующему поколению. Эта функция осуществляется, благодаря способности молекулы ДНК к самоудвоению – репликации. ДНК может распадаться на две комплементарные цепочки, и на каждой из них на основе того же принципа комплементарности восстановится исходная последовательность нуклеотидов.
5. История открытия нуклеиновых кислот
В научной литературе посвященной изучению строению молекулы ДНК, как правило, упоминается Джеймс Уотсон и Френсис Крик (рис. 9).
Но первооткрывателями нуклеиновых кислот был Фридрих Иоганн Мишер (рис. 16), швейцарский ученый, который работал в Германии.
Рис. 16. Первооткрыватель нуклеиновых кислот
В 1869 году Мишер занимался изучением животных клеток – лейкоцитов. Для получения лейкоцитов он использовал гнойные повязки, которые ему доставлялись из больниц. Он брал гной, отмывал лейкоциты и выделял из них белок.
В процессе исследований Мишеру удалось установить, что кроме белков, в лейкоцитах содержится ещё какое-то неизвестное вещество.
Оно выделялось в виде нитевидного или хлопьевидного осадка при создании кислой среды. При добавлении щелочи этот осадок растворялся.
Исследуя препарат лейкоцитов под микроскопом, Мишер обнаружил, что в процессе отмывания лейкоцитов соляной кислотой от них остаются ядра. Он сделал вывод, что в ядрах имеется неизведанное вещество, то есть новое вещество, которое он назвал нуклеином, от слова nucleus – ядро.
Кроме этого, по данным химического анализа Мишер установил, что это новое вещество состоит из углерода, водорода, кислорода и фосфора. Фосфорорганических соединений в то время было известно очень мало, поэтому Мишер пришел к выводу, что открыл новый класс соединений в ядре.
Так в XIX веке стало известно о существовании нуклеиновых кислот, но тогда никто не мог предположить, какая огромная роль принадлежит нуклеиновым кислотам в сохранении разнообразия наследственных признаков организмов.
6. Вещество наследственности
Первые доказательства того, что молекула ДНК заслуживает довольно серьёзного внимания, были получены 1944 году группой бактериологов во главе с Освальдом Эвери. Он много лет изучал пневмококки – микроорганизмы, вызывающие воспаления легких, или пневмонию. Эвери смешивал два вида пневмококков, один из которых вызывал заболевание, а другой – нет. Предварительно болезнетворные клетки убивали, и затем добавляли к ним пневмококки, которые не вызывали заболевание.
Рис. 17. Опыты Эвери и Гриффитса
Результаты опытов были удивительны. Некоторые живые клетки после контакта с убитыми научились вызывать болезнь. Эвери удалось выяснить природу вещества, участвующего в процессе передачи информации от мертвых клеток живым (рис. 17). Этим веществом оказалась молекула ДНК.
7.РНК. Строение РНК
Рибонуклеиновая кислота (РНК) – полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды. Образование полимера происходит так же, как и у ДНК, за счет фосфодиэфирной связи между остатком фосфорной кислоты и рибозой.
Мономеры РНК в составе нуклеотидов содержат пятиуглеродный сахар (пентоза), фосфорную кислоту (остаток фосфорной кислоты) и азотистое основание (см. Рис. 2).
Рис. 2. Строение нуклеотида РНК
Азотистые основания РНК – урацил, цитозин, аденин и гуанин. Моносахарид нуклеотида РНК представлен рибозой (см. Рис. 2).
РНК – одноцепочная молекула значительно меньших размеров, чем молекула ДНК.
Молекула РНК содержит от 75 до 10 000 нуклеотидов.
РНК-содержащие вирусы
Рис. 3. РНК-содержащий вирус
Многие вирусы, например вирус гриппа, содержат в качестве единственной нуклеиновой кислоты молекулу РНК (см. Рис. 3). РНК-содержащих вирусов, болезнетворных для человека, больше, чем ДНК-содержащих. Они вызывают полиомиелит, гепатит А, острые простудные заболевания.
Арбовирусы – вирусы, которые переносятся членистоногими. Являются возбудителями клещевого и японского энцефалита, а также желтой лихорадки.
Реовирусы (см. Рис. 4), редкие возбудители респираторных и кишечных заболеваний человека, стали предметом особого научного интереса из-за того, что их генетический материал представлен в виде двухцепочной молекулы РНК.
Рис. 4. Строение реовируса
Также существуют ретровирусы, которые вызывают ряд онкологических заболеваний.
8.Типы РНК
В зависимости от строения и выполняемой функции различают три основных типа РНК: рибосомную, транспортную и информационную (матричную).
1. Информационная РНК
Как показали исследования, информационная РНК составляет 3-5 % от общего содержания РНК в клетке. Это одноцепочная молекула, которая образовывается в процессе транскрипции на одной из цепей молекулы ДНК. Это связано с тем, что ДНК у ядерных организмов находятся в ядре, а синтез белка происходит на рибосомах в цитоплазме, поэтому возникла необходимость в «посреднике». Функцию «посредника» выполняет матричная РНК, она передает информацию о структуре белка из ядра клеток, где находится ДНК, к рибосомам, где эта информация реализуется (см. Рис. 5).
Рис. 5. Матричная РНК (мРНК)
В зависимости от объема копируемой информации, молекула матричной РНК может иметь различную длину.
Большинство матричных РНК существуют в клетке непродолжительное время. В бактериальных клетках существование таких РНК определяется минутами, а в клетках млекопитающих (в эритроцитах) синтез гемоглобина (белка) продолжается после утраты эритроцитами ядра в течение нескольких дней.
2. Рибосомная РНК
Рибосомные РНК (см. Рис. 6) составляют 80 % от всех рибосом, присутствующих в клетке. Эти РНК синтезируются в ядрышке, а в клетке они находятся в цитоплазме, где вместе с белками образуют рибосомы. На рибосомах происходит синтез белка. Здесь «код», заключенный в матричную РНК, транслируется в аминокислотную последовательность молекулы белка.
Рис. 6. Рибосомная РНК (рРНК)
3. Транспортная РНК
Транспортные РНК (см. Рис. 7) образуются в ядре на ДНК, а затем переходят в цитоплазму.
Рис. 7. Транспортная РНК (тРНК)
На долю таких РНК приходится около 10 % от общего содержания РНК в клетке. Они имеют самые короткие молекулы из 80-100 нуклеотидов.
Транспортные РНК присоединяют к себе аминокислоту и транспортируют ее к месту синтеза белка, к рибосомам.
Все известные транспортные РНК за счет комплементарного взаимодействия между азотистыми основаниями образовывают вторичную структуру, по форме напоминающую лист клевера (см. Рис. 8). В молекуле тРНК есть два активных участка – триплет антикодон на одном конце и акцепторный участок, присоединяющий аминокислоту, на другом.
Рис. 8. Строение тРНК («клеверный лист»)
Каждой аминокислоте соответствует комбинация из трех нуклеотидов, которая носит название триплет.
Рис. 9. Таблица генетического кода
Кодирующие аминокислоты триплеты – кодоны ДНК (см. Рис. 9) – передаются в виде информации триплетов (кодонов) мРНК. У верхушки клеверного листа тРНК располагается триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону мРНК (см. Рис. 10). Этот триплет различен для тРНК, переносящих разные аминокислоты, и кодирует именно ту аминокислоту, которая переносятся данной тРНК. Он получил название антикодон.
Акцепторный конец является «посадочной площадкой» для определенной аминокислоты.
Таким образом, различные типы РНК представляют собой единую функциональную систему, направленную на реализацию наследственной информации через синтез белка.
Гипотеза РНК мира
Концепция РНК мира заключается в том, что когда-то очень давно молекула РНК могла выполнять функцию как молекулы ДНК, так и белков.
В живых организмах практически все процессы происходят благодаря ферментам белковой природы. Белки, однако, не могут самореплицироваться и синтезируются в клетки на основании информации, заложенной в ДНК. Но и удвоение ДНК происходит только благодаря участию белков и РНК. Следовательно, образуется замкнутый круг, из-за которого в рамках теории возникновения жизни спонтанное возникновение такой сложной системы маловероятно.
В начале 1980-х годов в лаборатории ученых Чека и Олтмена (обладатели нобелевской премии по химии) в США была открыта каталитическая способность РНК. РНК-катализаторы были названырибозимами (см. Рис. 11).
Рис. 11. Структура рибозимомолекулы РНК, выполняющей функцию катализа
Оказалось, что активный центр рибосом тоже содержит большое количество рибосомных РНК. Также РНК способны создавать двойную цепочку и самореплицироваться. То есть РНК могли существовать полностью автономно, катализируя метаболические реакции, например синтеза новых рибонуклеатидов, и самовоспроизводясь, сохраняя из поколения в поколение каталитические свойства. Накопление случайных мутаций привело к появлению РНК, катализирующих синтез определенных белков, являющихся более эффективными катализаторами, в связи с чем эти мутации закреплялись в ходе естественного отбора. Также возникли специализированные хранилища генетической информации – молекула ДНК, а РНК стала посредником между ДНК и белками.