Нуклеотиды
Остановимся
подробнее на нуклеотидах. Известно, что нуклеотиды называются аденин, гуанин,
тимин, цитозин и урацил – азотистые основания, они представлены на рисунке
ниже.
Нуклеотиды
– это мономеры нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты в эукариотических
клетках находятся в ядре. Они есть у всех живых организмов (у тех, у кого нет
ядра, нуклеиновые кислоты все равно есть – они находятся в центре клетки у
бактерий и образуют нуклеоиды). Мономеры, из которых потом строятся нуклеиновые
кислоты, состоят из азотистого основания, остатка сахара (дезоксирибоза или
рибоза) и фосфата. Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами
(аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или
3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется Соответственно,
нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин,
гуанин, тимин, цитозин).
Вот
так модель АТФ выглядит в пространстве. Азотистое основание, входящее в состав
ДНК делится на две группы – пиримидиновую и пуриновую. В состав ДНК входит
аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина урацил. Как известно, ДНК
– это большой архив, в котором хранится информация, а РНК – это молекула,
которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С
различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активно
из-за того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу,
а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертно,
что важно для ее функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие
реакции.
Нуклеотиды
способны взаимодействовать друг с другом, при этом «выбрасывается» два фосфора,
и между соседними нуклеотидами образуется связь. В молекуле фуранозы молекулы
углерода пронумерованы. С первым связано азотистое основание. Когда образуется
цепочка нуклеотидов, связь осуществляется между пятым углеродом одной и третьим
углеродом другой фосфорной кислоты. Поэтому в цепочке нуклеиновых кислот
выделяют разные неравнозначные концы, относительно которых молекула не
симметрична.
Комплементарные
друг другу одноцепочечные молекулы нуклеиновой кислоты способны образовывать
двуцепочечную структуру. Внутри этой спирали аденин образует пару с тимином, а
гуанин - с цитозином. Встречается утверждение, что нуклеотиды подходят друг
другу как осколки разбитого стекла, поэтому они и образуют пары. Но это
утверждение неверно. Нуклеотиды способны образовывать пары как угодно.
Единственная причина, по которой они соединяются так, и никак иначе,
заключается в том, что угол между «хвостиками», которые идут к сахарам,
совпадает только в этих парах, и, кроме того, совпадают их размеры. Никакая
другая пара не образует такой конфигурации. А поскольку они совпадают, то их
через сахаро-фосфатный остов можно связать друг с другом. Структуру двойной
спирали открыли в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.
При
соединение друг с другом против 5’-конца одной нити находится 3’-конец другой
нити. То есть нити идут в противоположных направлениях – говорят, что нити в
ДНК антипараллельны.
На
рисунке видна модель ДНК, видно, что аденин соединяется с тимином двумя
водородными связями, а гуанин соединяется с цитозином тройной водородной
связью. Если молекулу ДНК подогревать, то ясно, что две связи легче разорвать,
чем три, это существенно для свойств ДНК.
В
силу пространственного расположения сахаро-фосфатного остова и нуклеотидов,
когда нуклеотиды накладывают один на другой и «сшивают» через сахаро-фосфатный
остов, цепочка начинает заворачиваться, тем самым образуя знаменитую двойную
спираль.
На
рисунках представлены шариковые модели ДНК, где каждый атом обозначен шариком.
Внутри спирали имеются бороздки: маленькая и большая. Через эти бороздки с ДНК
взаимодействуют белки и распознают там последовательность нуклеотидов.
При
нагревании ДНК водородные связи разрываются и нити в двойной спирали
расплетаются. Процесс нагревания называется плавлением ДНК, при этом
разрушаются связи между парами А-Т и Г-Ц .Чем больше в ДНК пар А-Т, тем менее
прочно нити друг с другом связаны, тем легче ДНК расплавить. Переход из
двухспиральной ДНК в одно-спиральную измеряется на спектрофотометрах по
поглощению света при 260 нм. Температура плавления ДНК зависит от А-Т/Г-Ц
состава и размера фрагмента молекулы. Ясно, что если фрагмент состоит из
нескольких десятков нуклеотидов, то его гораздо легче расплавить, чем более
длинные фрагменты.
У
человека в гаплоидном геноме, то есть единичном наборе хромосом, 3 млрд. пар
нуклеотидов, и их длина составляет 1,7 м, а клетка гораздо меньше, как вы
догадываетесь. Для того, чтобы ДНК смогла в ней поместиться, она достаточно
плотно свернута, и в эукариотической клетке свернуться ей помогают белки –
гистоны. Гистоны имеют положительный заряд, а так как ДНК заряжена
отрицательно, то гистоны обладают сродством к ДНК. Упакованная при помощи
гистонов ДНК имеет вид бусин, называемых нуклеосомами. 200 пар нуклеотидов идет
на одну нуклеосому, 146 пар накручиваются на гистоны, а остальные 54 висят в
виде линкерных (связывающих нуклеосомы) ДНК. Это первый уровень компактизации
ДНК. В хромосомах ДНК свернута еще несколько раз для того, чтобы образовались
компактные структуры.
К
нуклеиновым кислотам кроме ДНК относится также РНК. В клетке присутствуют
разные типы РНК: рибосомные, матричные, транспортные. Существуют и другие виды РНК,
о которых мы будем говорить позже. РНК синтезируется в виде одно-цепочечной
молекулы, но отдельные ее участки входят в состав двуцепочечных спиралей. Для
РНК также говорят о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) и
вторичной структуре (образование двуспиральных участков).
Липиды
В
состав липидов входят жирные кислоты, имеющие длинные углероводородные цепи.
Жирные кислоты гидрофобны, то есть не растворимы в воде.
Липиды
представляют собой соединения жирных кислот с глицерином (эфиры). Например, на
рисунке изображен лецитин.
В
клетке важную роль играют липиды, в которых к глицерину присоединен остаток
фосфорной кислоты и 2 жирных кислоты. Они называются фосфолипидами. Молекулы
фосфолипидов имеют полярную (то есть гидрофильную, хорошо растворимую) группу
на одном конце молекулы и длинный гидрофобный хвост. К фосфолипидам относится
фосфатидилхолин.
В
водном растворе фосфолипиды образуют мицеллы, в которых молекулы обращены
полярными "головами" наружу, в сторону воды, а гидрофобные
"хвосты" оказываются внутри мицеллы, спрятанными от воды. Клеточную
мембрану также липиды с полярными "головами", которые обращены наружу
по обе стороны мембраны, а гидрофобные "хвосты" находятся внутри
липидного бислоя.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://bio.fizteh.ru