Нуклеиновые кислоты и АТФ (нуклеотид, комплементарность)

5 терминов · 5 заданий

Нуклеотид = азотистое основание + пентоза + остаток фосфорной кислоты; нуклеотиды соединены в цепь фосфодиэфирными связями (сахар — фосфат), основания обращены внутрь спирали.

Правила Чаргаффа и расчёты. А = Т, Г = Ц, А + Г = Т + Ц = 50 %. Если А = 18 %, то Т = 18 %, Г = Ц = 32 %. Длина одного нуклеотида — 0,34 нм; масса — ≈345 г/моль; один виток спирали — 10 пар нуклеотидов (3,4 нм). В двухцепочечном фрагменте водородных связей: 2·(А=Т) + 3·(Г≡Ц).

АТФ (аденозинтрифосфат) — нуклеотид: аденин + рибоза + три остатка фосфорной кислоты, две макроэргические связи; при гидролизе одной выделяется ≈40 кДж/моль (АТФ → АДФ + Ф). Универсальный аккумулятор энергии; синтезируется в митохондриях (дыхание), хлоропластах (фотосинтез) и цитоплазме (гликолиз). Другие нуклеотиды-переносчики: НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД (переносят водород), ГТФ.

Строение нуклеиновых кислот. Мономер — нуклеотид: азотистое основание, пятиуглеродный сахар и остаток фосфорной кислоты. Нуклеотиды соединяются в цепь через сахар и фосфат, а две цепи ДНК удерживаются рядом водородными связями между основаниями по принципу комплементарности: А = Т (две связи), Г ≡ Ц (три связи). Цепи антипараллельны и закручены в двойную спираль (модель Уотсона и Крика, 1953).

Полезные для задач соотношения: длина участка ДНК \(L = n \cdot 0{,}34\) нм, где \(n\) — число нуклеотидов в одной цепи; масса нуклеотида принимается за 345; число водородных связей равно \(2(\mathrm{A}) + 3(\mathrm{Г})\). Если в двухцепочечном фрагменте 1200 нуклеотидов и 300 из них адениловые, то тимидиловых тоже 300, а на Г и Ц приходится 1200 − 600 = 600, то есть по 300 каждого.

Функции ДНК. ДНК хранит наследственную информацию в виде последовательности нуклеотидов (участок, в котором записано строение одного белка или одной РНК, — ген), передаёт её дочерним клеткам и потомкам благодаря репликации — самоудвоению по принципу комплементарности — и служит матрицей для синтеза всех видов РНК, через которые информация реализуется в белках. Две комплементарные цепи позволяют исправлять повреждения: испорченный участок одной цепи ферменты восстанавливают по второй (репарация). Основная часть ДНК эукариотической клетки находится в хромосомах ядра, небольшая — в митохондриях и пластидах.

Секвенирование ДНК — определение последовательности нуклеотидов. В классическом методе Ф. Сэнгера (1977) ДНК-полимераза строит на исследуемой цепи комплементарные копии, а в смесь добавлено немного особых меченых нуклеотидов, после присоединения которых цепь дальше не растёт. Получается набор фрагментов, оборвавшихся на каждой позиции; их разделяют по длине электрофорезом и по метке последнего нуклеотида читают последовательность, как по линейке. Современные методы (секвенирование нового поколения) читают одновременно миллионы коротких фрагментов, а компьютер собирает из них геном; так в 2003 г. была прочитана основная часть генома человека — около 3 млрд пар нуклеотидов.

АТФ — универсальный аккумулятор энергии. Молекула состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты. Две последние связи макроэргические: их гидролиз даёт около 40 кДж/моль каждая.

\[ \text{АТФ} + \mathrm{H_2O} \rightarrow \text{АДФ} + \mathrm{H_3PO_4} + 40\ \text{кДж} \]

АТФ синтезируется при энергетическом обмене (гликолиз, дыхание) и в световой фазе фотосинтеза, а расходуется на биосинтез, активный транспорт, мышечное сокращение, проведение импульса, свечение и движение. Время жизни молекулы — секунды: АТФ не запасается впрок, а непрерывно обновляется, поэтому за сутки человек «прокручивает» массу АТФ, сравнимую с массой собственного тела.

Строение и функции АТФ подробнее. Аденин и рибоза образуют аденозин, к рибозе последовательно присоединены три остатка фосфорной кислоты. Макроэргическими называют две связи между остатками фосфорной кислоты: отрицательно заряженные фосфатные группы отталкиваются, а продукты гидролиза устойчивее исходной молекулы, поэтому при отщеплении каждого из двух концевых остатков выделяется около 40 кДж/моль; связь первого остатка с рибозой обычная — её гидролиз даёт в несколько раз меньше энергии. Превращения: АТФ → АДФ + Ф, затем АДФ → АМФ + Ф. Функции АТФ: универсальный источник энергии для биосинтеза, активного транспорта, движения, проведения импульса, выделения тепла; донор фосфатной группы — фосфорилирование активирует молекулы (глюкоза → глюкозо-6-фосфат в начале гликолиза) и включает или выключает белки; один из нуклеотидов, из которых синтезируется РНК; из АТФ образуется циклический АМФ — внутриклеточный посредник действия многих гормонов.

Восстановленные переносчики. Кроме энергии фосфатных связей клетка перемещает между реакциями атомы водорода — электроны вместе с протонами. Их принимают коферменты-нуклеотиды НАД⁺, НАДФ⁺ и ФАД, превращаясь в восстановленные формы НАД·H, НАДФ·H и ФАД·H₂, и отдают туда, где нужен восстановитель или где энергия электронов превращается в энергию АТФ (подробнее — в теме 2.4).

Маркеры ЕГЭ. «Две цепи, дезоксирибоза, тимин» → ДНК; «одна цепь, рибоза, урацил» → РНК; «А = Т, Г ≡ Ц» → комплементарность; «две водородные связи» → пара А—Т, «три» → Г—Ц; «макроэргические связи, 40 кДж» → АТФ; «хранение информации» → ДНК, «перенос к рибосоме» → иРНК, «доставка аминокислоты» → тРНК; «около 80 % РНК клетки, катализирует пептидную связь» → рРНК; «определение последовательности нуклеотидов» → секвенирование; «рентгеноструктурный анализ, ЯМР, криоэлектронная микроскопия» → структурная биология; «переносят водород в дыхательную цепь» → НАД·H и ФАД·H₂; «образуется в световой фазе, расходуется в цикле Кальвина» → НАДФ·H; «циклический АМФ» → посредник действия гормонов.

Нюансы. В задачах различайте «нуклеотидов в молекуле» (обе цепи) и «в одной цепи» — это вдвое разные числа. Комплементарность работает и при транскрипции, но в РНК вместо тимина встаёт урацил. АТФ — не запас энергии, а её переносчик: долговременные запасы хранятся в жирах и углеводах. Восстановленные переносчики тоже не копятся впрок: НАД·H и НАДФ·H, как и АТФ, непрерывно образуются и расходуются, а без обратного окисления в НАД⁺ гликолиз останавливается.

Правила Чаргаффа следуют из комплементарности и позволяют решать расчётные задачи:

Закрепите теорию: 5 терминов и 5 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Пройти урок arrow_forward