План:

1.       Поняття про нуклеїнові кислоти.

2.       Структура та функції ДНК.

3.       Типи РНК.

4.       Передача та реалізація спадкової інформації.

5.       Будова та функції АТФ.

Література: Загальна біологія: Підр./ М.Є. Кучеренко та інш. 2006. с. 33-37.

Всі живі істоти здатні зберігати спадкову інформацію і передавати її нащадкам при розмноженні. Цю функцію завдяки особливостям своєї будови виконують нуклеїнові кислоти.

Нуклеїнові кис­лоти — це складні високомолекулярні біополімери, мо­номерами яких є нуклеотиди. Вперше їх виявлено в ядрі клітин, звідки й походить назва цих сполук (від лат. нуклеус — ядро). Молекула нуклеотиду складаєть­ся із залишків нітратної основи, п'ятивуглецевого моносахариду (пентози) і фосфатної кислоти.

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 молекулах ДНК і РНК містяться залишки таких нітратних основ: аденіну (скорочено позначається літерою А), гуаніну (Г), цитозину (Ц). Крім того, до складу ДНК входить залишок тиміну (Т), а РНК -урацилу (У). Отже, до складу молекул ДНК і РНК вхо­дить по чотири типи нуклеотидів, які відрізняються за типом нітратної основи.

Нуклеїновим кислотам, як і білкам, притаманна первинна структура — певна послідовність розташуван­ня нуклеотидів, а також складніша вторинна і третин­на структури, які формуються завдяки водневим зв'язкам, електростатичним та іншим взаємодіям.

Окремі нуклеотиди сполучаються між собою у лан­цюг за допомогою особливих «містків» між залишками пентоз двох сусідніх нуклеотидів. Ці «містки» є різно­видом міцних ковалентних зв'язків.

ДНК. Роз­шифрування структури ДНК має свою передісторію. 1950 року американський учений Ервін Чаргафф та його колеги, досліджуючи склад ДНК, виявили певні закономірності кількісного вмісту залишків нітратних основ у її молекулі: — кількість аденінових залишків у будь-якій моле­кулі ДНК дорівнює числу тимінових (А = Т), а гуанінових — цитозинових (Г = Ц); — сума аденінових і гуанінових залишків дорівнює сумі тимінових і цитозинових (А+Г = Т+Ц).

Це відкриття сприяло встановленню просторової структури ДНК і визначенню її ролі в перенесенні спадкової інформації від материнської клітини до до­чірньої, від одного покоління організмів до іншого.

1953 року Джеймс Уотсон і Френсіс Крик запропо­нували модель просторової структури ДНК, правильність якої згодом було підтверджено експери­ментальне. Молекула ДНК складається з двох лан­цюгів нуклеотидів, які з'єднуються між собою за допомогою водневих зв'язків. Ці зв'язки виникають між двома нуклеотидами, які ніби доповнюють один одного за розмірами. Встановлено, що залишок аде­ніну (А) завжди сполучається із залишком тиміну (Т) (між ними виникає два водневі зв'язки), а гуаніну (Г) — із залишком цитозину (Ц) (між ними виникає три водневі зв'язки). Чітка відповідність нукле­отидів у двох ланцюгах ДНК має назву комплементарність (від лат. комплементум — доповнення).

Відповідно до запропонованої моделі будови ДНК два ланцюги нуклеотидів обвивають один одного, ство­рюючи закручену праворуч спіраль (вторинна струк­тура ДНК). При цьому діаметр спіралі становить приблизно 2 нм.

За певних умов (дія кислот, лугів, високої темпера­тури тощо) відбувається процес денатурації ДНК — розривання водневих зв'язків між комплементарними нітратними основами різних полінуклеотидних лан­цюгів. При цьому ДНК повністю або частково розпа­дається на окремі ланцюги, через що втрачає свою біологічну активність. Денатурована ДНК після при­пинення дії факторів, які її спричиняють, може поно­вити свою структуру завдяки відновленню водневих зв'язків між комплементарними нуклеотидами (про­цес ренатурації ДНК).

Завдяки здатності формувати структури вищих по­рядків (третинну тощо) молекула ДНК набуває ви­гляду компактних утворів. Наприклад, довжина молекули ДНК найбільшої хромосоми людини дорів­нює приблизно 8 см, але вона укладена таким чином, що міститься в хромосомі завдовжки лише приблизно 5 нм. Це стає можливим завдяки просторовому ущіль­ненню дволанцюгової спіралі ДНК з утворенням тримірної структури - суперспіралі. Це зумовлено взаємодією між ДНК і ядерними білками клітин еукаріотів.

У багатьох прокаріотів, деяких вірусів, а також у мітохондріях і хлоропластах еукаріотів ДНК з білка­ми не взаємодіє і має кільцеву структуру.

Функції ДНК. Одиницею спадковості всіх організмів є ген — ділянка молекули ДНК (а у деяких вірусів — РНК). Він несе спадкову інформацію про структуру певного білка або нуклеї­нової кислоти (детальніше про організацію спадково­го матеріалу різних груп організмів ми розглянемо далі). Саме ДНК зберігає спадкову інформацію в організмі та забезпечує її передачу дочірнім клітинам під час поділу материнської.

Молекули рибонуклеїнових кислот (РНК) мають подібну до ДНК будову, але складаються лише з одного ланцюга. У деяких вірусів трапля­ються і дволанцюгові РНК. Відомо три основні типи РНК: інформаційна, або матрична (іРНК, або мРНК), транспортна (тРНК) і рибосомна (рРНК). Вони роз­різняються місцем розташування в клітині, формою, розмірами та функціями.

Інформаційна РНК є копією певної ділянки мо­лекули ДНК (одного чи кількох генів). Вона перено­сить спадкову інформацію від ДНК до місця синтезу молекули білка, а також бере безпосередню участь у її збиранні. Частка іРНК становить приблиз­но 2% загальної кількості РНК клітини. Вторинна і третинна структури ІРНК формуються за допомогою водневих зв'язків, електростатичних та інших типів взаємодій. Молекула іРНК відносно нестабільна, вона швидко розпадається на нуклеотиди. Наприклад, у мікроорганізмів іРНК існує усього декілька хвилин, а в клітинах еукаріотів — декілька годин або днів.

Транспортна РНК порівняно з інформаційною має менші розміри, її частка становить до 20% загаль­ної кількості РНК у клітині. Вона приєднує до себе амі­нокислоти і переносить їх до місця синтезу білкової молекули. Кожну амінокислоту транспортує специфіч­на тРНК. Транспортна РНК має постійну вторинну структуру, яка за формою нагадує листок конюшини. Така просторова структура зумовлена вод­невими зв'язками між комплементарними нуклеотидами. Біля верхівки такого «листка конюшини» розташовані три нуклеотиди, що визначають, яку саме амінокислоту слід транспортувати. Сама амінокисло­та приєднується за допомогою ковалентного зв'язку до ділянки біля основи молекули тРНК.

Рибосомна РНК становить приблизно 80% за­гальної кількості РНК у клітині. Вона входить до скла­ду особливих органел клітин усіх типів — рибосом (детальніше про їхню будову та функції ви дізнаєтеся згодом). Взаємодіючи з білками, рРНК виконує струк­турну функцію і бере певну участь у процесах синтезу білків. Але в передачі спадкової інформації вона участі не бере.

Передача спадкової інформації. Реплікація ДНК. Спадкоємність генетичного матеріалу в поколіннях клітин та організмів забезпечується реплікацією молекул ДНК. Реплікація — це процес матричного синтезу молекули ДНК на матриці — молекулі ДНК. У результаті цього складного процесу, що здійснюється за допомогою ферментів, утворюються дві подвійні спіралі ДНК — дочірні молекули, що нічим не відрізняються одна від одної та від вихідної материнської молекули ДНК. Реплікація відбувається у клітині перед поділом, тому кожна дочірня клітина отримує такі самі молекули ДНК, які мала материнська клітина. Процес реплікації базується на принципах компліментарності і напівконсервативності.

Принцип комплементарності. Кожний із двох ланцюгів материнської молекули ДНК слугує матрицею, тобто основою, для синтезу комплементарного ланцюга, що доповнює його.

Принцип напівконсервативності. У результаті реплікації утворюються дві подвійні дочірні спіралі, кожна з яких зберігає в незмінному вигляді один полінуклеотидний ланцюг материнської ДНК. Другий полінуклеотидний ланцюг дочірньої молекули синтезується з нуклеотидів заново за принципом комплементарності нітратних основ.

Реалізація спадкової інформації. Оскільки молекула ДНК може сама себе відтворювати, то вона може виконувати роль молекули, що передає генетичну інформацію наступному поколінню. Для цього в природі існує особливий спосіб запису — генетичний код.

Генетичний код — це спосіб запису послідовності амінокислот у молекулах білка за допомогою послідовності нуклеотидів у нуклеїнових кислотах. Ген — це ділянка молекули ДНК, яка кодує послідовність амінокислот одного поліпептидного ланцюга.

У процесах реалізації спадкової інформації беруть участь молекули РНК трьох видів — іРНК, тРНК та рРНК. Усі вони синтезуються на матриці — молекулі ДНК. Процес синтезу всіх видів РНК на матриці ДНК називається транскрипцією (від латин. transcriptio — переписування). Транскрипція, як і реплікація, здійснюється за принципом комплементарності нітратних основ. Наступний етап реалізації спадкової інформації — трансляція.

Трансляція — це процес синтезу білка на матриці — молекулі іРНК. У синтезі білка беруть участь рибосоми, тРНК, ферменти, амінокислоти, молекули АТФ тощо. Таким чином, завдяки унікальній будові нуклеїнові кислоти здатні до збереження, відтворення та передавання генетичної інформації.

Аденозинтрифосфатна кислота (АТФ) за будовою подібна до нуклеотидів, із яких складаються РНК. Мо­лекула АТФ складається із залишків нітратної основи (аденіну), вуглеводу (рибози) та трьох залишків фосфатної кислоти. АТФ — універсальна сполука. У її високоенергетичних хімічних зв'язках запасається значна кількість енергії. Якщо за участю відповідного ферменту від молекули АТФ відщепляється один за­лишок фосфатної кислоти, АТФ перетворюється на аденозиндифосфатну кислоту (АДФ). При цьому звільняється приблизно 42 кДж енергії. Коли ж від молекули АТФ відщепляються два залишки фос­фатної кислоти, вона перетворюється на аденозинмонофосфатну кислоту (АМФ). При цьому енергії звільняється вже до 84 кДж.

Отже, під час розщеплення молекули АТФ виді­ляється велика кількість енергії. Вона використо­вується для синтезу необхідних організму сполук, на підтримання певної температури тіла, забезпечення різних процесів життєдіяльності. Під час утворення мо­лекул АДФ з АМФ та АТФ з АДФ у зв'язках, що вини­кають між залишками молекул фосфатної кислоти, запасається відповідна кількість енергії. Тому молеку­ла АТФ є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітині.