ДНК и РНК | Презентация к уроку по биологии (10 класс) на тему:

Слайд 1

Нуклеиновые кислоты.

Слайд 2

История создания нуклеиновых кислот ДНК открыта в 1868 г швейцарским врачом И. Ф. Мишером в клеточных ядрах лейкоцитов, отсюда и название – нуклеиновая кислота (лат. « nucleus » — ядро). В 20-30-х годах XX в. определили, что ДНК – полимер ( полинуклеотид ), в эукариотических клетках она сосредоточена в хромосомах . Предполагали, что ДНК играет структурную роль. В 1944 г. группа американских бактериологов из Рокфеллеровского института во главе с О. Эвери показала, что способность пневмококков вызывать болезнь передается от одних к другим при обмене ДНК. ДНК является носителем наследственной информации .

Слайд 3

Фридрих Фишер Швейцарский биохимик.Из остатков клеток,содержащихся в гное,он выделил вещество,в состав которого входят азот и фосфор.Учёный назвал это нуклеином ,полагая,что оно содержится лишь в ядре клетки. Позднее небелковая часть этого вещества была названа нуклеиновой кислотой

Слайд 4

УОТСОН Джеймс Дьюи Американский биофизик, биохимик, молекулярный биолог, предложил гипотезу о том, что ДНК имеет форму двойной спирали, выяснил молекулярную структуру нуклеиновых кислот и принцип передачи наследственной информации. Лауреат Нобелевской премии 1962 года по физиологии и медицине (вместе с Фрэнсис Харри Комптоном Криком и Морисом Уилкинсом).

Слайд 5

КРИК Френсис Харри Комптон Английский физик, биофизик, специалист в области молекулярной биологии, выяснил молекулярную структуру нуклеиновых кислот; открыв основные типы РНК, предложил теорию передачи генетического кода и показал, как происходит копирование молекул ДНК при делении клеток. в 1962 году стал лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине

Слайд 6

Нуклеиновые кислоты являются биополимерами , мономеры которых – нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из 3-х частей: азотистого основания , пентозы – моносахарида , остатка фосфорной кислоты .

Слайд 7

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ МОНОМЕРЫ — НУКЛЕОТИДЫ ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота РНК рибонуклеиновая кислота Состав нуклеотида в ДНК Состав нуклеотида в РНК Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Урацил (У): Рибоза Остаток фосфорной кислоты Азотистые основания: Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Тимин (Т) Дезокси- рибоза Остаток фосфорной кислоты Информационная (матричная) РНК (и-РНК) Транспортная РНК (т-РНК) Рибосомная РНК (р-РНК) Передача и хранение наследственной информации

Слайд 10

Химическое строение азотистых оснований и углеводов

Слайд 14

Принцип комплементарности Азотистые основания двух полинуклеотидных цепей ДНК соединяются между собой попарно при помощи водородных связей по принципу комплементарности . Пиримидиновое основание связывается с пуриновым: тимин Т с аденином А (две ВС), цитозин Ц с гуанином Г (три ВС). Таким образом, содержание Т равно содержанию А , содержание Ц равно содержанию Г . Зная последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК, можно расшифровать строение (первичную структуру) второй цепи. Для лучшего запоминания принципа комплементарности можно воспользоваться мнемоническим приемом : запомни словосочетания Т игр – А льбинос и Ц апля — Г олубая

Слайд 15

Модель строения молекулы ДНК предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. Она полностью подтверждена экспериментально и сыграла исключительно важную роль в развитии молекулярной биологии и генетики

Слайд 17

Параметры ДНК

Слайд 18

СТРУКТУРЫ ДНК И РНК ДНК

Слайд 19

Строение и функции РНК РНК — полимер, мономерами которой являются рибонуклеотиды . В отличие от ДНК, РНК образована не двумя, а одной полинуклеотидной цепочкой (исключение — некоторые РНК-содержащие вирусы имеют двухцепочечную РНК). Нуклеотиды РНК способны образовывать водородные связи между собой. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК.

Слайд 20

Репликация ДНК Удвоение молекулы ДНК называют репликацией или редупликацией . Во время репликации часть молекулы «материнской» ДНК расплетается на две нити с помощью специального фермента , причем это достигается разрывом водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями: аденином —тимином и гуанином – цитозином. Далее к каждому нуклеотиду разошедшихся нитей ДНК фермент ДНК-полимераза подстраивает комплементарный ему нуклеотид.

Слайд 21

Состав и структура РНК. I этап биосинтеза белка С помощью специального белка РНК-полимеразы молекула информационной РНК строится по принципу комплементарности по участку одной нити ДНК в процессе транскрипции (первого этапа синтеза белка). Сформированная цепочка и-РНК представляет точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК, только вместо тимина Т включен урацил У . Мнемоника : вместо Т игра – А льбиноса есть У тка – А льбинос! и-РНК

Слайд 22

Биосинтез белка Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК (матричной) в последовательность аминокислот молекулы белка. и-РНК взаимодействует с рибосомой, которая начинает двигаться по и-РНК, задерживаясь на каждом ее участке, который включает в себя два кодона (т.е. 6 нуклеотидов).

Слайд 23

Виды РНК В клетке имеется несколько видов РНК. Все они участвуют в синтезе белка. Транспортные РНК (т-РНК) — это самые маленькие по размерам РНК (80-100 нуклеотидов). Они связывают аминокислоты и транспортируют их к месту синтеза белка. Информационные РНК (и-РНК) — они в 10 раз больше тРНК. Их функция состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка. Рибосомные РНК (р-РНК) — имеют наибольшие размеры молекулы(3-5 тыс.нуклеотидов), входят в состав рибосом.

Слайд 24

Биологическая роль и-РНК и-РНК, являясь копией с определенного участка молекулы ДНК, содержит информацию о первичной структуре одного белка. Последовательность из трех нуклеотидов ( триплет или кодон ) в молекуле и-РНК (первооснова –ДНК!) кодирует определенный вид аминокислоты. Эту информацию сравнительно небольшая молекула и-РНК переносит из ядра, проходя через поры в ядерной оболочке, к рибосоме – месту синтеза белка. Поэтому и-РНК иногда называют « матричной », подчеркивая ее роль в данной процессе. Генетический код был расшифрован в 1965-1967 г.г., за что Х. Г. Корану была присуждена Нобелевская премия.

Слайд 25

Рибосомные РНК Рибосомные РНК синтезируются в сновном в ядрышке и составляют примерно 85-90% всех РНК клетки. В комплексе с белками они входят в состав рибосом и осуществляют синтез пептидных связей между аминокислотными звеньями при биосинтезе белка. Образно говоря, рибосома – это молекулярная вычислительная машина, переводящая тексты с нуклеотидного языка ДНК и РНК на аминокислотный язык белков.

Слайд 26

Транспортные РНК РНК, доставляющие аминокислоты к рибосоме в процессе синтеза белка, называются транспортными . Эти небольшие молекулы, форма которых напоминает лист клевера, несут на своей вершине последовательность из трех нуклеотидов. С их помощью т-РНК будут присоединяться к кодонам и-РНК по принципу комплементарности . Противоположный конец молекулы т-РНК присоединяет аминокислоту, причем только определенный вид, который соответствует его антикодону

Слайд 27

Генетический код Наследственная информация записана в молекулах НК в виде последовательности нуклеотидов. Определенные участки молекулы ДНК и РНК (у вирусов и фагов) содержат информацию о первичной структуре одного белка и называются генами . 1 ген = 1 молекула белка Поэтому наследственную информацию, которую содержат ДНК называют генетической .

Слайд 28

Свойства генетического кода: Универсальность Дискретность (кодовые триплеты считываются с молекулы РНК целиком) Специфичность (кодон кодирует только АК) Избыточность кода (несколько)

Слайд 29

Признаки ДНК РНК СХОДСТВА Полинуклеотиды, мономеры которых имеют общий план строения. РАЗЛИЧИЯ: 1) Сахар дезоксирибоза рибоза 2) Азотистые основания аденин — тимин , цитозин — гуанин аденин – урацил , цитозин – гуанин 3) Структура двойная спираль одноцепочечная молекула 4) Местонахождение в клетке ядро, митохондрии и хлоропласты цитоплазма, рибосомы 5) Биологические функции хранение наследственной информации и передача ее из поколения в поколение участие в матричном биосинтезе белка на рибосоме, т.е. реализация наследственной информации Проверка правильности заполнения таблицы

Слайд 30

Биологическое значение нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение наследственной информации в виде генетического кода, передачу ее при размножении дочерним организмам, ее реализацию при росте и развитии организма в течение жизни в виде участия в очень важном процессе – биосинтезе белков .

Слайд 31

Итоговое тестирование 1. Молекулы ДНК представляют собой материальную основу наследственности, так как в них закодирована информация о структуре молекул а – полисахаридов б – белков в – липидов г – аминокислот 2. В состав нуклеиновых кислот НЕ входят а – азотистые основания б – остатки пентоз в – остатки фосфорной кислоты г – аминокислоты 3. Связь, возникающая между азотистыми основаниями двух комплементарных цепей ДНК, — а – ионная б – пептидная в – водородная г – сложноэфирная 4. Комплементарными основаниями НЕ является пара а – тимин — аденин б – цитозин — гуанин в – цитозин — аденин г – урацил — аденин 5. В одном из генов ДНК 100 нуклеотидов с тимином, что составляет 10% от общего количества. Сколько нуклеотидов с гуанином? а – 200 б – 400 в – 1000 г – 1800 6. Молекулы РНК, в отличие от ДНК, содержат азотистое основание а – урацил б – аденин в – гуанин г – цитозин

Слайд 32

Итоговое тестирование 7. Благодаря репликации ДНК а – формируется приспособленность организма к среде обитания б – у особей вида возникают модификации в – появляются новые комбинации генов г – наследственная информация в полном объеме передается от материнской клетки к дочерним во время митоза 8. Молекулы и-РНК а – служат матрицей для синтеза т-РНК б – служат матрицей для синтеза белка в – доставляют аминокислоты к рибосоме г – хранят наследственную информацию клетки 9. Кодовому триплету ААТ в молекуле ДНК соответствует триплет в молекуле и-РНК а – УУА б – ТТА в – ГГЦ г – ЦЦА 10. Белок состоит из 50 аминокислотных звеньев. Число нуклеотидов в гене, в котором зашифрована первичная структура этого белка, равно а – 50 б – 100 в – 150 г – 250

Слайд 33

Итоговое тестирование 11 . В рибосоме при биосинтезе белка располагаются два триплета и-РНК, к которым в соответствии с принципом комплементарности присоединяются антикодоны а – т-РНК б – р-РНК в – ДНК г – белка 12. Какая последовательность правильно отражает путь реализации генетической информации? а) ген – ДНК – признак – белок б) признак – белок – и-РНК – ген – ДНК в) и-РНК – ген – белок – признак г) ген – и-РНК – белок – признак 13. Собственные ДНК и РНК в эукариотической клетке содержат а – рибосомы б – лизосомы в – вакуоли г – митохондрии 14. В состав хромосом входят а – РНК и липиды б – белки и ДНК в – АТФ и т-РНК г – АТФ и глюкоза 15. Ученые, которые предположили и доказали, что молекула ДНК – двойная спираль, это а – И. Ф. Мишер и О. Эвери б – М. Ниренберг и Дж. Маттеи в – Дж. Д. Уотсон и Ф. Крик г – Р. Франклин и М. Уилкинс

Слайд 34

Выполнение задачи на комплементарность Комплементарность – это взаимное дополнение азотистых оснований в молекуле ДНК. Задача : фрагмент цепи ДНК имеет последовательность нуклеотидов: Г Т Ц Ц А Ц Г А А Постройте по принципу комплементарности 2-ю цепочку ДНК. РЕШЕНИЕ: 1-я цепь ДНК: Г-Т-Ц-Ц-А-Ц-Г-А-А. Ц-А-Г-Г-Т-Г-Ц-Т-Т Значение комплементарности: Благодаря ей происходят реакции матричного синтеза и самоудвоение ДНК, который лежит в основе роста и размножения организмов.

Слайд 35

Повторение и закрепление знаний: Вставьте нужные слова: В составе РНК есть сахар… В составе ДНК есть азотистые основания…; И в ДНК, и в РНК есть….; В ДНК нет азотистого основания… Структура молекулы РНК в виде… ДНК в клетках может находиться в … Функции РНК:… В составе РНК есть азотистые основания…; В составе ДНК есть сахар…; В РНК нет азотистого основания… Структура молекулы ДНК в виде… Мономерами ДНК и РНК являются…; РНК в клетках может находиться в… Функции ДНК:… (рибоза) (А,Г,Ц,Т) (А,Г,Ц,сахар, Ф ) (У) (Цепочки Нуклеотидов) (В ядре, митохондриях, хлоропластах) (Участие в синтезе белков) А,Г,Ц, (У) (дезоксирибоза) (Т) (Двойной спирали) (Нуклеотиды) (В ядре, цитоплазме, митохондриях, хлоропластах) (Хранение и передача наслед. информ.)

Слайд 36

Проверь себя–правильные ответы Б Г В В Б А Г Б Б А В А Г Г В

Слайд 37

Выводы Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК ДНК – полимер. Мономер – нуклеотид. Молекулы ДНК обладают видовой специфичностью. Молекула ДНК – двойная спираль, поддерживается водородными связями. Цепи ДНК строятся по принципу комплиментарности. Содержание ДНК в клетке постояннно. Функция ДНК – хранение и пердача наследственной информации.

Слайд 38

Использованные источники информации Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. — Учебник Общая биология 10-11 классы – М.: Дрофа, 2006 Мамонтов С. Г., Захаров В. Б. – Общая биология: учебное пособие – М.: Высшая школа, 1986 Бабий Т. М., Беликова С. Н. – Нуклеиновые кислоты и АТФ // «Я иду на урок» // М.: «Первое сентября», 2003 ЕГЭ 2011 Биология // Учебно-тренировочные материалы для подготовки учащихся./ Г. С. Калинова, А. Н. Мягкова, В. З. Резникова. – М.: Интеллект-Центр, 2007

Нуклеиновые кислоты. 10-й класс

Цель урока: изучение нуклеиновых кислот.

Задачи урока:

• Образовательные: повторение и закрепление знаний по теме «Строение и функции белков»; познакомить с азотистыми основаниями и пространственной организацией ДНК и РНК, основными видами РНК; раскрыть роль нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации;
• Развивающие: развивать умения сравнивать изучаемые объекты, делать вывод; развитие  логического мышления, внимания и памяти.
• Воспитательные: формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки;  формирование ответственного отношения к учению и самообразованию на основе мотивации к обучению. 

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование:

компьютерная презентация, карточка-информатор  по теме «Нуклеиновые кислоты».

Ход урока

1. Актуализация знаний

Слайд №2

1. Назовите мономеры белков?

Ответ (аминокислоты)

 2. Какие уровни организации белковой молекулы существуют?

Ответ (первичная — линейная, вторичная – спираль, третичная – глобула, четвертичная)

3. Что произойдет с белком при нагревании?

Ответ (утрата природной структуры – денатурация белка)

4. Назовите функции белков?

Ответ ( защитная, энергетическая, каталитическая, двигательная, транспортная, структурная)

Слайд №3 Проблемный вопрос: что вырастет из семян яблока? Почему?

Сегодня почти каждый знает, что такое наследственность, но так было, естественно не всегда. Ученые, изучая наследование признаков, не знали, какое именно вещество несет информацию.

Впервые ДНК была выделена в 1869 году Фридрихом Мишером было открыто неизвестное ранее вещество.

Слайд №4 видеоролик из фильма ВВС «Клетка или как устроена жизнь»

Запишите тему сегодняшнего урока: Нуклеиновые кислоты.

2. Изучение новой темы

Слайд № 5 записать в тетради:

Нуклеиновые кислоты: ДНК, РНК.

Состоят из нуклеотидов – сложных веществ, состоящие из:

• азотистого основания
• углевода
• остатка фосфорной кислоты

Задание. Рассмотрите карточку-информатор по теме «Нуклеиновые кислоты» (Приложение №1), определите какие бывают азотистые основания и какие углеводы содержаться в составе ДНК и РНК?

Слайд № 6 Записать в тетради:

Дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК

Углевод – дезоксирибоза

Азотистые основания комплементарны: аденин А ¾ тимин Т цитозин Ц ¾ гуанин Г

Слайд № 7 Нуклеиновые кислоты подобно белкам имеют первичную структуру – последовательность нуклеотидов. Расположение нуклеотидов важно, так как задает последовательность аминокислот в кодируемых белках.

Задание. Определите нуклеотиды второй цепи ДНК используя принцип комплементарности.

Вторичную структуру – две комплементарные цепи, и третичную – пространственную структуру, которую и установили в 1953 году Дж. Уотсон и Ф.Крик.

Слайд № 8 видеоролик из фильма ВВС «Клетка или как устроена жизнь».

Один виток ДНК – 10 нуклеотидов, а расстояние между нуклеотидами 0.34 нм. Цепи направлены в противоположные стороны- антипараллельны.

Структура каждой молекулы ДНК строго индивидуальна и представляет собой генетический код, предающийся следующим поколениям.

Слайд № 9 записать в тетради:

ДНК – обеспечивает хранение, передачу, и воспроизведение наследственной информации в разных поколениях.

Информация, хранящаяся в ДНК должна реализоваться в виде белков. Для этого служит РНК – переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. от хромосом к месту синтеза белков и участвует в синтезе.

Слайд № 10 записать в тетрадь: Рибонуклеиновая кислота РНК:  одноцепочечная молекула, углевод — рибоза, азотистые основания:

• аденин А
• урацил У
• гуанин Г
• цитозин Ц

Слайд № 11 записать в тетради: три типа РНК – это информационная (матричная) иРНК, транспортная тРНК и рибосомная рРНК.

Все три типа синтезируются непосредственно на ДНК.

Слайд № 12 записать в тетради:

РНК – переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т.е. от хромосом к месту синтеза белков и участвует в синтезе.

3. Закрепление

Слайд № 13 Назовите отличия ДНК от РНК?

1. углеводом
2. азотистым основанием
3. структурой молекулы
4. функциями.

Слайд № 14 Нуклеиновые кислоты в отличие от крахмала, содержат молекулы? (азота и фосфора)

Слайд № 15 Наследственная информация в клетках грибов заключена в? (ДНК)

Слайд № 16 Углевод рибоза входит в состав? (иРНК)

Слайд № 17

• Что было сложным на уроке?
• Что вам особенно понравилось на уроке?

Подведение итогов и комментирование оценок.

Итак, мы с вами сегодня внимательно изучили нуклеиновые кислоты

Приложение №1

Карточка-информатор  по теме «Нуклеиновые кислоты»

Названия кислот	ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота	РНК Рибонуклеиновая кислота
Мономер	Нуклеотид	Нуклеотид
Состав нуклеотида: 1. Углевод (моносахарид) 2. Азотистые основания	Дезоксирибоза	Рибоза
	Аденин Тимин Гуанин Цитозин	Аденин Урацил Гуанин Цитозин
3. Остаток фосфорной кислоты	есть	есть
Строение молекулы	Молекула двойная  правозакрученная. Один виток  –10 нуклеотидов, а расстояние между нуклеотидами 0.34 нм.	Молекула одинарная
Функции кислот	Определяет последовательность аминокислот в белках и при делении клетки обеспечивает передачу  наследственной информации в разных поколениях клеток, организмов.	Переносит информацию о последовательности аминокислот в белках, т. е. от  ДНК к месту синтеза белков и участвует в его синтезе.

1.4.4: Введение в структуру нуклеиновых кислот (ДНК и РНК)

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

106479

• Тим Содерберг
• Университет Миннесоты Моррис

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) представляют собой полимеры, состоящие из мономеров, называемых нуклеотидами . Нуклеотид РНК состоит из пятиуглеродного сахарофосфата, связанного с одним из четырех оснований нуклеиновой кислоты : гуанином (G), цитозином (C), аденином (A) и урацилом (U).

---

---

В нуклеотиде ДНК в сахаре отсутствует гидроксильная группа во 2′-положении, и вместо урацила используется тиминовое основание (Т). Обычная система нумерации, используемая для ДНК и РНК, показана здесь для справки — символ штриха (‘) используется для отличия числа атомов углерода сахара от числа атомов углерода основания.

Двумя «крючками» на мономере РНК или ДНК являются 5′-фосфат и 3′-гидроксил на сахаре, которые в синтезе ДНК-полимера связаны группой «фосфатного диэфира». По соглашению последовательности ДНК и РНК записываются в направлении от 5′ к 3′.

Вернуться на главную страницу главы 1 ⇒

.

---

Эта страница под названием 1.4.4: Введение в структуру нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Тимом Содербергом через исходный контент, который был отредактирован к стилю и стандартам платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Тим Содерберг

   Лицензия

   СС BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. аденин
   2. цитозин
   3. ДНК
   4. гуанин
   5. основания нуклеиновой кислоты
   6. нуклеотидов
   7. РНК
   8. источник@https://digitalcommons. morris.umn.edu/chem_facpubs/1/
   9. тимин
   10. урацил

Глава 5. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты – Введение в молекулярную и клеточную биологию

Рисунок 5.1 Двойная спираль ДНК является наиболее узнаваемой структурой нуклеиновой кислоты, но это рибозимы. Рибозимы — это молекулы рибонуклеиновой кислоты, которые могут катализировать химические реакции, как это делают белковые ферменты. (Источник: «Лукашарр»/Викисклад)

• 5.1 Нуклеотиды и фосфодиэфирная связь
• 5.2 Дезоксирибонуклеиновая кислота: ДНК
• 5.3 Рибонуклеиновая кислота: РНК

Нуклеиновые кислоты представляют собой макромолекулы, состоящие из мономеров, называемых нуклеотидами. Они являются наиболее важными макромолекулами для непрерывности жизни. Они несут генетическую информацию клетки и инструкции для функционирования клетки. Нуклеиновые кислоты — это информационные молекулы, которые служат чертежами белков, вырабатываемых клетками. Они также являются наследственным материалом в клетках, поскольку воспроизводящиеся клетки передают чертежи своим потомкам.

Два основных типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) . ДНК – это генетический материал, присутствующий во всех живых организмах. Он обнаружен в ядре эукариот, а также в хлоропластах и ​​митохондриях. У прокариот ДНК не заключена в ядро.

Все генетическое содержимое клетки известно как ее геном . В эукариотических клетках ДНК образует комплекс с гистоновыми белками, образуя хроматин — вещество эукариотических хромосом. Хромосома может содержать десятки тысяч генов. Многие гены содержат информацию для создания белковых продуктов; другие гены кодируют продукты РНК. ДНК контролирует всю клеточную активность, включая или выключая гены.

Другой тип нуклеиновой кислоты, РНК, в основном участвует в синтезе белка. Молекулы ДНК используют посредника, называемого матричной РНК (мРНК), для связи с остальной частью клетки. Другие типы РНК, такие как рРНК, тРНК и микроРНК, участвуют в синтезе белка и его регуляции.

К концу этого раздела вы сможете:

• Идентифицировать три компонента нуклеотидной структуры.
• Знать, как связаны нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.
• Назовите тип связи, которая удерживает нуклеотиды вместе, и определите его в структуре нуклеиновой кислоты.

ДНК и РНК состоят из мономеров, известных как нуклеотидов . Нуклеотиды объединяются друг с другом, образуя нуклеиновую кислоту, ДНК или РНК. Каждый нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, пентозного (пятиуглеродного) сахара и фосфатной группы ( рис. 5.2 ). Каждое азотистое основание в нуклеотиде связано с молекулой сахара, которая присоединена к одной или нескольким фосфатным группам.

Рисунок 5.2 Нуклеотид состоит из трех компонентов: азотистого основания, пентозного сахара и одной или нескольких фосфатных групп. Сахаром является дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК.

Азотистые основания представляют собой органические молекулы, содержащие азот. Они являются основаниями, потому что содержат аминогруппу, которая может связывать дополнительный водород. Каждый нуклеотид в ДНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Каждый нуклеотид в РНК содержит одно из четырех возможных азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и урацил (У). Аденин и гуанин относятся к пуринам и имеют два углеродно-азотных кольца. Цитозин, тимин и урацил классифицируются как пиримидины, которые имеют одно углеродно-азотное кольцо (9).0032 Рисунок 5.2 ).

Атомы углерода молекулы пентозного сахара в каждом нуклеотиде пронумерованы как 1′, 2′, 3′, 4′ и 5′ (1′ читается как «один штрих»). Азотистое основание присоединено к углероду 1′, а фосфатная группа присоединена к гидроксильной группе углерода 5′. В РНК пентозный сахар представляет собой рибозу, которая имеет гидроксильную группу, присоединенную к 2′-углероду. В ДНК пентозный сахар представляет собой дезоксирибозу, которая имеет атомы водорода, присоединенные к 2′-углероду. «Дезокси» в названии ДНК относится к отсутствующему атому кислорода у 2′-углерода ( Рисунок 5.2 ).

Нуклеиновые кислоты представляют собой длинные линейные цепочки нуклеотидов. Фосфодиэфир связи представляют собой ковалентные связи между 3′-углеродом одного нуклеотида и 5′-фосфатной группой другого. Они образуются в результате реакций синтеза дегидратации (рис. 5.3). Нуклеиновые кислоты обладают направленностью: первый нуклеотид в цепи имеет свободную фосфатную группу на 5′-конце молекулы. Последний добавленный нуклеотид имеет свободную 3′-гидроксильную группу на 3′-конце молекулы. Нуклеотиды всегда добавляются к 3′-концу.

 

Рисунок 5.3  Ковалентные связи, образующиеся между нуклеотидами, называются фосфодиэфирными связями. Они образуются в результате реакций синтеза дегидратации, когда гидроксильная группа удаляется из 3′-углерода одного нуклеотида, а атом водорода удаляется из гидроксильной группы, присоединенной к 5′-углероду другого нуклеотида. Образуется вода и образуется фосфодиэфирная связь.

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать структуру и роль ДНК.
• Обсудите сходства и различия между эукариотической и прокариотической ДНК.

5.2.1 Двойная спираль

В 1950-х годах Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон вместе работали над определением структуры ДНК в Кембриджском университете, Англия. Другие ученые, такие как Линус Полинг и Морис Уилкинс, также активно исследовали эту область. Полинг открыл вторичную структуру белков с помощью рентгеновской кристаллографии. В лаборатории Уилкинса исследователь Розалинда Франклин использовала методы дифракции рентгеновских лучей, чтобы понять структуру ДНК. Уотсон и Крик смогли собрать воедино загадку молекулы ДНК на основе данных Франклина, потому что Крик также изучал дифракцию рентгеновских лучей (9).0032 Рисунок 5.4 ). В 1962 году Джеймс Уотсон, Фрэнсис Крик и Морис Уилкинс были удостоены Нобелевской премии по медицине. К сожалению, к тому времени Франклин умер, а Нобелевские премии посмертно не присуждаются.

 

Рис. 5.4 Работа ученых-первопроходцев (а) Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика и Маклина Маккарти привела к современному пониманию ДНК. Ученый Розалинда Франклин открыла рентгенограмму ДНК, которая помогла выяснить ее структуру двойной спирали. (Источник: модификация работы Марджори Маккарти, Публичная научная библиотека)

Уотсон и Крик правильно предположили, что ДНК состоит из двух нитей, которые закручены друг вокруг друга, образуя правостороннюю спираль. Две нити нуклеотидов удерживаются вместе водородными связями, образующимися между парами азотистых оснований. Сахарный и фосфатный «каркас» образует внешнюю сторону спирали. Азотистые основания уложены внутри, как ступени лестницы. Две нити антипараллельны по своей природе; то есть 3′-конец одной нити обращен к 5′-концу другой нити ( Рисунок 5.5 ).

 

Рис. 5.5 ДНК имеет (а) структуру двойной спирали и (б) водородные связи. Большая и малая бороздки являются местами связывания ДНК-связывающих белков во время таких процессов, как транскрипция (копирование РНК из ДНК) и репликация.

Встречаются только определенные типы спаривания оснований. A может соединяться только с T, а G может соединяться только с C, как показано на Рисунок 5.5 . Это известно как базовое дополнительное правило. Другими словами, нити ДНК комплементарны друг другу. Если последовательность одной цепи представляет собой 5′-AATTGGCC-3′, комплементарная цепь будет иметь последовательность 3′-TTAACCGG-5′. Тот факт, что две нити молекулы ДНК комплементарны, позволяет ДНК реплицироваться. Во время репликации ДНК каждая цепь копируется, в результате чего образуется двойная спираль дочерней ДНК, содержащая одну родительскую цепь ДНК и вновь синтезированную цепь. Пары оснований стабилизированы водородными связями; аденин и тимин образуют две водородные связи, а цитозин и гуанин — три водородные связи.

Происходит мутация, и цитозин заменяется аденином. Как вы думаете, какое влияние это окажет на структуру ДНК?

5.2.2. Упаковка ДНК в клетках

При сравнении прокариотических клеток с эукариотическими клетками прокариоты намного проще эукариот по многим своим характеристикам ( рис. 5.6 ). Большинство прокариот содержат одну кольцевую хромосому, которая находится в области цитоплазмы, называемой нуклеоидом.

 

Рис. 5.6 Эукариоты содержат четко очерченное ядро, тогда как у прокариот хромосома лежит в цитоплазме в области, называемой нуклеоидом.

Размер генома одной из наиболее хорошо изученных прокариот, E. coli , составляет 4,6 млн пар оснований (примерно 1,1 мм, если разрезать и растянуть). Так как же это помещается внутри маленькой бактериальной клетки? ДНК скручена так называемой суперспирализацией. Суперспирализация означает, что ДНК либо недозакручена (менее одного витка спирали на 10 пар оснований), либо перекручена (более 1 витка на 10 пар оснований) по сравнению с ее нормальным расслабленным состоянием. Известно, что некоторые белки участвуют в суперспирализации; другие белки и ферменты, такие как ДНК-гираза, помогают поддерживать сверхспиральную структуру.

Эукариоты, каждая хромосома которых состоит из линейной молекулы ДНК, используют другой тип стратегии упаковки, чтобы поместить свою ДНК внутри ядра ( рис. 5.7 ). На самом базовом уровне ДНК обернута вокруг белков, известных как гистоны , с образованием структур, называемых нуклеосомами . Гистоны представляют собой эволюционно консервативные белки, богатые основными аминокислотами и образующие октамер. ДНК (заряженная отрицательно из-за фосфатных групп) плотно обернута вокруг гистонового ядра. Эта нуклеосома связана со следующей с помощью линкерной ДНК. Это также известно как структура «бусины на нитке». Затем он уплотняется в волокно диаметром 30 нм, что соответствует диаметру структуры. На стадии метафазы хромосомы наиболее компактны, имеют ширину около 700 нм и находятся в ассоциации с каркасными белками.

В интерфазе хромосомы эукариот имеют две отдельные области, которые можно различить с помощью окрашивания. Плотно упакованная область известна как гетерохроматин, а менее плотная область известна как эухроматин. Гетерохроматин обычно содержит гены, которые не экспрессируются (не транскрибируются активно с образованием продукта) и находится в областях центромер и теломер. Эухроматин обычно содержит гены, которые транскрибируются, ДНК упаковывается вокруг нуклеосом, но не уплотняется дальше.

 

Рисунок 5.7 Эти рисунки иллюстрируют уплотнение эукариотической хромосомы.

5,3 | Рибонуклеиновая кислота: РНК

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснять структуру и роль РНК.
• Сравните и сопоставьте два типа нуклеиновых кислот.

Рибонуклеиновая кислота, или РНК, в основном участвует в синтезе белка. Как и ДНК, РНК состоит из нуклеотидов, связанных фосфодиэфирными связями. Однако нуклеотиды в РНК содержат сахар рибозу вместо дезоксирибозы и азотистое основание урацил (U) вместо тимина (T). В отличие от ДНК, РНК обычно одноцепочечная. Однако большинство РНК обнаруживают внутреннее спаривание оснований между комплементарными последовательностями, создавая трехмерную структуру, необходимую для их функции.

Существует четыре основных типа РНК: информационная РНК (мРНК) , рибосомная РНК ( рРНК ), переносная РНК ( тРНК ) и микроРНК ( микроРНК ). мРНК несет копию генетического кода ДНК. Если клетке требуется синтез определенного белка, ген «включается» и синтезируется соответствующая матричная РНК. Последовательность РНК комплементарна последовательности ДНК (за исключением того, что U заменяет T). Если цепь ДНК имеет последовательность 5′-AATTGCGC-3′, последовательность комплементарной РНК будет 3′-UUAACGCG-5′. Затем мРНК взаимодействует с рибосомами и другими клеточными механизмами, так что из закодированного сообщения может быть получен белок. мРНК читается наборами из трех оснований, известных как кодоны. Каждый кодон кодирует одну аминокислоту.

Таким образом, поток информации в организме идет от ДНК к мРНК к белку. ДНК определяет последовательность мРНК в процессе, известном как транскрипция , а РНК диктует структуру белка в процессе, известном как трансляция . Это известно как Центральная догма молекулярной биологии .

рРНК является основным компонентом рибосом, с которым мРНК связывается для образования белкового продукта. тРНК переносит нужную аминокислоту к месту синтеза белка. микроРНК играют роль в регуляции экспрессии генов.