10 класс. Биология. Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки. Строение и функции ДНК

Комментарии преподавателя

 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).

Рис. 2. Нук­лео­ти­ды

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).

Рис. 4. Азо­ти­стые ос­но­ва­ния нук­лео­ти­дов ДНК и РНК

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. Фосфодиэфирная связь

Два нук­лео­ти­да об­ра­зу­ют ди­нук­лео­тид путем кон­ден­са­ции. В ре­зуль­та­те между фос­фат­ной груп­пой од­но­го нук­лео­ти­да и гид­рок­си­г­руп­пой са­ха­ра дру­го­го об­ра­зу­ет­ся т. н. фос­фо­ди­эфир­ная связь (рис. 6).

Рис. 6. Фос­фо­ди­эфир­ная связь

При син­те­зе по­ли­нук­лео­тид­ной цепи эта ре­ак­ция по­вто­ря­ет­ся несколь­ко мил­ли­о­нов раз. Таким об­ра­зом, по­ли­нук­лео­тид (рис. 7) стро­ит­ся путем об­ра­зо­ва­ния фос­фо­ди­эфир­ных мо­сти­ков между 3’ и 5’ уг­ле­ро­да­ми са­ха­ров.

Рис. 7. По­ли­нук­лео­тид

Фос­фо­ди­эфир­ные мо­сти­ки воз­ни­ка­ют за счёт проч­ных ко­ва­лент­ных свя­зей, это со­об­ща­ет всем по­ли­нук­лео­тид­ным цепям проч­ность и ста­биль­ность, что очень важно, по­сколь­ку умень­ша­ет­ся риск по­вре­жде­ния (по­лом­ки) мо­ле­кул ДНК.

Итак, нук­ле­и­но­вые кис­ло­ты – это био­по­ли­ме­ры, ко­то­рые со­сто­ят из мо­но­ме­ров – нук­лео­ти­дов. В со­став нук­лео­ти­дов вхо­дят три ос­нов­ные части, а имен­но пя­ти­уг­ле­род­ный сахар – пен­то­за, азо­ти­стые ос­но­ва­ния и оста­ток фос­фор­ной кис­ло­ты. В за­ви­си­мо­сти от при­ро­ды пен­то­зы раз­ли­ча­ют ДНК и РНК.

В со­став ДНК вхо­дят аде­нин, ци­то­зин, гу­а­нин и тимин.

В со­став РНК вхо­дят аде­нин, ци­то­зин, гу­а­нин, ура­цил.

Объ­еди­не­ние нук­лео­ти­дов в нук­ле­и­но­вую кис­ло­ту идет за счёт об­ра­зо­ва­ния фос­фо­ди­эфир­ных мо­сти­ков, или фос­фо­ди­эфир­ной связи.

 3. 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 (рис. 8).

Рис. 8. Во­до­род­ная связь и вто­рич­ная струк­ту­ра ДНК

Ил­лю­стра­ция прин­ци­па ком­пле­мен­тар­но­сти.

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.

 4. 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.

 5. 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.

 6. 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.

 7. 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.

источник конспекта - http://interneturok.ru/ru/school/biology/10-klass/bosnovy-citologii-b/nukleinovye-kisloty-i-ih-rol-v-zhiznedeyatelnosti-kletki-stroenie-i-funktsii-dnk

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=hHgTyUsB7n4

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=3xEvG5T5c2U

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=fkcucdnBlSo

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=2nX31Nj__pA

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=GgUAv7FD3ps

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=6QzTMHybE1k

источник видео - http://www.youtube.com/watch?v=_SL71bTMzxM

источник видео -http://www.youtube.com/watch?v=yEsUgOfU1KA

источник презентации - http://prezentacii.com/biologiya/8190-stroenie-sostav-i-znachenie-dnk.html

источник презентации - http://www.myshared.ru/slide/download/

Файлы