Из курса биологии растений и животных вспомните, где в клетках хранится наследственная информация. Какие вещества отвечают за хранение и воспроизведение наследственной информации? Одинаковы ли эти вещества у растений и животных?
Нуклеиновые кислоты и нуклеотиды
Молекулы нуклеиновых кислот являются крупными органическими молекулами — биополимерами, мономерами которых являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов — азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатка ортофосфатной кислоты (рис. 8.1).
В состав нуклеиновых кислот входят пять видов азотистых оснований (рис. 8.2). Различают, собственно, пять видов нуклеотидов: тимидиловый (основание — тимин), цитидиловый (основание — цитозин), уридиловый (основание — урацил), адениловый (основание — аденин), гуаниловый (основание — гуанин).
В клетках живых организмов отдельные нуклеотиды используются также в различных процессах обмена веществ как самостоятельные соединения.
При образовании молекул нуклеиновой кислоты между остатком ортофосфатной кислоты одного нуклеотида и моносахаридом другого
образуется прочная ковалентная связь. Поэтому нуклеиновые кислоты, образующиеся таким образом, имеют вид цепи, в которой нуклеотиды последовательно расположены друг за другом. Их число в одной молекуле биополимера может достигать нескольких миллионов.
ДНК и РНК
В клетках живых организмов присутствует два типа нуклеиновых кислот — РНК (рибонуклеиновая кислота) и ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Они различаются между собой по составу и особенностями строения.
Главной функцией ДНК и РНК является хранение и воспроизведение наследственной информации, чему способствует строение их молекул.
РНК хранит наследственную информацию менее надежно, чем ДНК, поэтому данный способ хранения использует только часть вирусов.
Строение молекул нуклеиновых кислот
В состав нуклеотидов ДНК входят моносахарид дезоксирибоза и четыре азотистых основания — аденин, тимин, цитозин и гуанин. А сами молекулы ДНК обычно состоят из двух нуклеотидных цепочек, которые соединены между собой водородными связями (рис. 8.3).
В нуклеотидах РНК вместо дезоксирибозы содержится моносахарид рибоза, а вместо тимина — урацил. Молекула РНК обычно состоит из одной нуклеотидной цепочки, различные фрагменты которой образуют между собой водородные связи. Между гуанином и цитозином образуются три такие связи, а между аденином и тимином или аденином и урацилом — две.
Молекула ДНК состоит из двух нуклеотидных цепочек, соединенных по принципу комплементарности (дополнения): напротив каждого нуклеотида одной цепи размещается тот нуклеотид второй цепи, который ему соответствует. Так, напротив аденилового нуклеотида размещается тимидиловый, а напротив цитидилового — гуаниловый (рис. 8.4). Поэтому в молекулах ДНК количество адениловых нуклеотидов всегда равно количеству тимидиловых нуклеотидов, а количество гуаниловых — количеству цитидиловых.
АТФ и ее роль в жизнедеятельности клеток
В жизнедеятельности клетки активное участие принимают не только РНК и ДНК, но и отдельные нуклеотиды. Особенно важными являются соединения нуклеотидов с остатками ортофосфатной кислоты. Таких остатков к нуклеотиду может присоединяться от одного до трех. Соответственно, и называют их по числу этих остатков: АТФ — аденозинтриортофосфат (аденозинтриортофосфорная кислота), ГТФ — гуанозинтриортофосфат, АДФ — аденозиндиортофосфат, АМФ — аденозинмоноортофосфат. все нуклеотиды, которые входят в состав нуклеиновых кислот, являются монофосфатами. Три- и дифосфаты также играют важную роль в биохимических процессах клеток.
Наиболее распространенным в клетках живых организмов является АТФ. Он играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций, а также участвует в процессах роста, движения и размножения клеток. Большое количество молекул АТФ образуется в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза.
Преобразование энергии и реакции синтеза в биологических системах
АТФ обеспечивает энергией большинство процессов, происходящих в клетках. в первую очередь, это процессы синтеза органических веществ, которые осуществляются с помощью ферментов.
Для того чтобы ферменты могли осуществить биохимическую реакцию, им в большинстве случаев требуется энергия.
Молекулы АТФ при взаимодействии с ферментами распадаются на две молекулы — ортофосфатную кислоту и АДФ. При этом выделяется энергия:
Эту энергию и используют ферменты для работы. А почему именно АТФ? Потому что связь остатков ортофосфатной кислоты в этой молекуле является не обычной, а макроэргической (высокоэнергетической) (рис. 8.5). Для образования этой связи требуется много энергии, но и во время ее разрушения энергия выделяется в больших количествах.
Когда молекулы углеводов, белков, липидов в клетках расщепляются, то происходит выделение энергии. Эту энергию клетка запасает. Для этого к нуклеотидам моноортофосфатам (например, АМФ) присоединяется один или два остатка ортофосфатной кислоты и образуются молекулы ди- или триортофосфатов (соответственно, АДФ или АТФ). Образующиеся связи являются макроэргическими. Таким образом,
АДФ содержит одну макроэргическую связь, а АТФ — две. во время синтеза новых органических соединений макроэргические связи разрушаются и обеспечивают соответствующие процессы энергией.
Все клеточные формы жизни на нашей планете содержат в своих клетках и РНК, и ДНК. А вот в вирусах присутствует только один тип нуклеиновой кислоты. в их вирионах под белковой оболочкой содержится или РНК, или ДНК. Только когда вирус попадает в клетку-хозяина, он обычно начинает синтезировать и ДНК, и РНК.
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые представлены в живых организмах в виде ДНК и РНК. Их мономерами являются нуклеотиды. ДНК обычно имеет форму двойной спирали, состоящей из двух цепей. РНК чаще всего имеет вид одинарной цепи. Основной функцией нуклеиновых кислот является хранение и воспроизводство генетической информации. Нуклеотиды также участвуют в биохимических процессах клетки, а АТФ играет роль универсального источника энергии для биохимических реакций.
Проверьте свои знания
1. Чем ДНК отличается от РНК? 2. Зачем живым организмам нужны нуклеиновые кислоты? 3. Какие функции выполняет в клетках АТФ? 4. Достройте вторую цепочку ДНК по принципу комплементарности, если первая цепочка такая: АГГТТАТАЦГЦЦТАГААТЦГГГАА. 5*. ДНК не способна быть катализатором биохимических реакций. А вот некоторые молекулы РНК (их называют рибозимами) могут быть катализаторами. С какими особенностями строения этих молекул это может быть связано? 6*. Почему макроэргические связи удобны для использования в биохимических процессах клетки?
Обобщающие задания к теме «Химический состав клетки и биологические молекулы»
В заданиях 1-9 выберите один правильный ответ.
1 Изображенная на рис. 1 структура выполняет функцию:
а) хранит и воспроизводит наследственную информацию
б) транспортирует вещества
В) создает запас питательных веществ
г) катализирует реакции
2) Из тех же мономеров, что и вещество на рис. 1, состоит:
а) коллаген б) крахмал в) РНК г) эстроген
3) вещество на рис. 1 может накапливаться:
а) на внешней мембране митохондрий
б) в клеточной стенке дрожжей
В) в клетках печени человека
г) в хлоропластах кукурузы
4 Изображенная на рис. 2 структура является компонентом:
а) клеточной стенки растений
б) белков
В) РНК
г) внутреннего слоя клеточной мембраны
5) Цифрой 3 на рис. 2 обозначили:
а) карбонильную группу в) карбоксильную группу
б) гидроксильную группу г) радикал
6) Аминогруппа на рис. 2 обозначена цифрой:
а) 1 б) 2 в) 3 г) 4
7) Структура на рис. 2 является мономером:
а) нуклеиновой кислоты в) липида
б) белка г) полисахарида
8) Моносахарид на рис. 3 обозначен цифрой:
а) 1 б) 2 в) 3 г) 4
9) Структура на рис. 3 является мономером:
а) нуклеиновой кислоты в) белка
б) липида г) полисахарида
10 Напишите названия групп органических веществ, к которым относятся молекулы, изображенные на рисунках:
11 Рассмотрите структурную формулу молекулы, изображенной на рисунке. Объясните, каким образом строение этой молекулы позволяет ей эффективно выполнять свои функции.
12 Достройте комплементарную цепь ДНК: АТТГАЦЦЦГАТТАГЦ.
13 Установите соответствие между группами органических веществ и веществами, которые к ним относятся.
Группы вещества
1 белки а) прогестерон
2 углеводы б) гемоглобин
3 липиды в) крахмал
г) инсулин
д) фруктоза
е) тестостерон
Проверьте свои знания по теме «Химический состав клетки и биологические молекулы».
Мини-справочник
Сведения об органических веществах
Структура органической молекулы на примере аланина
Типы связей в молекуле белка
Ковалентные связи
Образуются между атомами элементов в молекуле вещества за счет общих электронных пар. в молекулах белков имеются пептидные и дисульфидные связи. Обеспечивают прочное химическое взаимодействие.
Пептидная связь
Пептидные связи возникают между карбоксильной группой (-COOH) одной аминокислоты и аминогруппой (-NH2) другой аминокислоты.
Дисульфидная связь
Цистеин
Дисульфидная связь может возникать между различными участками одной и той же полипептидной цепи, при этом она удерживает эту цепь в изогнутом состоянии. Если дисульфидная связь образуется между двумя полипептидами, то она объединяет их в одну молекулу.
Нековалентные связи
В молекулах белков имеются водородные, ионные связи и гидрофобные взаимодействия. Обеспечивают слабые химические взаимодействия.
Водородная связь
Образуется между положительно заряженными атомами H одной функциональной группы и отрицательно заряженным атомом O или N, имеющим неподеленную электронную пару, другой функциональной группы.
Ионная связь
Образуется между положительно и отрицательно заряженными функциональными группами (дополнительными карбоксильными и аминогруппами), которые находятся в радикалах лизина, аргинина, гистидина, аспарагиновой и глутаминовой кислот.
Гидрофобное
Взаимодействие
Образуется между радикалами гидрофобных аминокислот.
Это материал учебника Биология 9 класс Задорожный