Curs 4. Acizi nucleici. ATP
Fig. Structura ADN-ului
Acizii nucleici includ compus polimeric înalt prin hidroliză pentru a descompune acidul baze purinice și azotate pirimidina, pentoză și fosforic. Acizii nucleici conțin carbon, hidrogen, fosfor, oxigen și azot. Există două clase de acizi nucleici: acid ribonucleic (ARN) și acid dezoxiribonucleic (ADN).
Structura și funcțiile ADN. Molecula ADN este un heteropolimer. monomeri ai acestora sunt dezoxiribonucleotide. Modelul structurii spațiale a moleculei de ADN sub forma unui dublu helix a fost propusă în 1953 și Dzh.Uotsonom F.Krikom (premiul Nobel) pentru construirea acestui model le-au folosit munca M.Uilkinsa, R.Franklin, E.Chargaffa.
Molecula ADN este formată din două lanțuri polinucleotidice, spiralate în jurul lor unul pe celălalt și împreună în jurul unei axe imaginare, i. E. este o dublă helix (cu excepția - unii virusi care conțin ADN au ADN monocatenar). Diametrul helixului dublu de ADN este de 2 nm, distanța dintre nucleotidele adiacente este de 0,34 nm și 10 perechi de nucleotide pe cifra de helix. Lungimea moleculei poate ajunge la câțiva centimetri. Masa moleculară este de zeci și sute de milioane. Lungimea totală a ADN a nucleului celulei umane este de aproximativ 2 m. În celulele eucariote, ADN-ul formează complexe cu proteine și are o conformație spațială specifică.
DNA Monomer - nucleotidice (deoxiribonucleotid) - constă din resturile de trei substanțe: 1) o bază de azot, 2) o monozaharidă cinci carbon (dezoxiriboza) și 3) acid fosforic. Bazele azotate ale acizilor nucleici aparțin claselor de pirimidine și purine. Baze de bază ale bazei nucleice ale ADN (au un inel în moleculele lor) - timină, citozină. Bazele purinice (au două inele) - adenină și guanină.
Fig. Formarea ADN-ului nucleotidic
Nucleotida nucleotidică are loc în două etape. În prima etapă, ca rezultat al reacției de condensare, se formează o nucleozidă, un complex al bazei azotate cu zahăr. În cea de-a doua etapă, nucleozida este supusă fosforilării. Se formează o legătură fosfoetară între reziduul de zahăr și acidul fosforic. Astfel, nucleotida este o nucleozidă conectată la un reziduu de acid fosforic (Fig.).
Numele nucleotidei este derivat din numele bazei corespunzătoare. Nucleotidele și bazele de azot sunt indicate cu majuscule.
Împotriva unui lanț de nucleotide este al doilea lanț. Localizarea nucleotidelor în aceste două lanțuri nu este accidentală, ci definită strict: împotriva adeninei unui lanț dintr-un alt lanț este întotdeauna localizată timina și împotriva guaninei - întotdeauna citozină.
Fig. DNA
Două adenine și timină apar, două legături de hidrogen, și guanină și citozină - trei legături de hidrogen. Modelul conform căruia nucleotidele diferite catene de ADN sunt aranjate strict ordonate (adenină - Timina, guanina - citozina) și conectate selectiv la fiecare numitul principiu altele, complementaritatea. Trebuie remarcat faptul că Dzh.Uotson F.Krik și vin să înțeleagă principiul complementarității cu activitatea după ce a citit E.Chargaffa.
A = T; Г = Ц sau --- = 1
Din principiul complementarității rezultă că secvența de nucleotide a unei catene determină secvența de nucleotide a alteia.
strand antiparalel ADN (direcții diferite), adică diferite lanțuri de nucleotide dispuse în direcții opuse, deci și este capătul 5 'al celuilalt opus la capătul 3' terminal al unuia lanț. Moleculă ADN este uneori comparată cu o scară spirală. „Rails“ a scării - coloana vertebrală-zahăr fosfat (resturile alternativ dezoxiriboză și acid fosforic); "Etapele" sunt baze de azot complementare.
Funcția ADN-ului este stocarea informațiilor ereditare.
„Material de construcție“ și sursa de energie pentru replicare sunt deoxiribonucleozidă trifosfați (ATP, TTP, GTP, CTP), care conțin trei resturi de acid fosforic. Atunci când se utilizează polinucleotidă trifosfaților deoxiribonucleozidă la lanț două capăt rest de acid fosforic energie scindat și eliberată pentru formarea legăturii fosfodiesterice între nucleotide.
Fig. Replicare ADN.
replicarea implică următoarele enzime: 1) helicaze (ADN "delimit"); 2) proteine destabilizatoare; 3) topoizomeraza ADN (ADN-ul este tăiat); 4) ADN polimeraza (selectează trifosfații deoxiribonucleozidici și le atașează complementar la lanțul șablon al ADN); 5) Primaza de ARN (primeri de ARN-forme, primeri); 6) Ligazele ADN (fragmente de ADN încrucișate).
Cu ajutorul helicazei în anumite zone ale ADN-ului, regiunile cu un singur catenar de ADN sunt legate de proteine destabilizatoare, se formează o furculiță de replicare. La o discrepanță de 10 perechi de nucleotide (o bobină a helixului), molecula ADN trebuie să completeze o revoluție completă în jurul axei sale. Pentru a preveni această rotație, topoizomeraza ADN taie o catenă ADN, aceasta îi permite să se rotească în jurul celui de-al doilea lanț.
ADN polimerază se poate atașa doar nucleotide la capătul 3 'carbonul din nucleotide cu dezoxiriboză anterioare, astfel încât enzima este capabil să se deplaseze pe ADN matriță într-o singură direcție: de la capătul 3' la capătul 5 'al acestui ADN. Deoarece lanțurile din ADN-ul matern sunt antiparalerale, pe lanțurile sale diferite ansamblul de lanțuri polinucleotidice fiice are loc în moduri diferite și în direcții opuse.
Pe lanțul "3'-5" "sinteza lanțului polinucleotidic fiu continuă fără întreruperi, acest lanț fiică va fi numit cel mai important. Pe lanțul "5'-3" "- intermitent, fragmentele (fragmente de Okaucas), care după completarea liganzilor ADN de replicare sunt reticulate într-un singur lanț; acest lanț fiică va fi numit retardat (rămas în urmă).
O caracteristică a ADN polimerazei este aceea că își poate începe activitatea doar cu un primer. Rolul primerelor se realizează prin secvențe scurte de ARN formate cu participarea enzimei primate de ARN și asociate cu ADN-ul șablonului. ARN-urile primare după asamblarea lanțurilor de polinucleotide sunt îndepărtate și înlocuite cu nucleotide ADN cu o altă ADN polimerază.
Replicarea este similară în prokaryotes și eucariote. Rata sintezei ADN în prokaryotes este un ordin de mărime mai mare (1000 nucleotide pe secundă) decât în eucariote (100 nucleotide pe secundă). Replicarea începe simultan în mai multe părți ale moleculei ADN, care au o secvență nucleotidică specifică și se numesc origini (originea engleză - începutul). Un fragment al ADN-ului de la un punct de origine al replicării la celălalt formează o unitate de replicare - un replicon.
Fig. Enzime de replicare a ADN:
1 - helicaze; 2 - proteine destabilizatoare; 3 - lanțul principal de ADN; 4 - Sinteza fragmentului Okaucasi; 5 - primerul este înlocuit cu nucleotidele ADN și fragmentele sunt ligate cu ligaze; 6 - ADN polimeraza; 7 - primaza de ARN, sintetizeaza primerul ARN; 8 - primer ARN; 9 - fragmente din Okaucasi; 10 - ligase, fragmente de cusătură din Okaucasi; 11 - topoizomer, tăind unul din lanțurile ADN.
Fig. Repliconi ADN
Elicarea are loc înainte de diviziunea celulară. Datorită acestei capacități a ADN, informațiile ereditare sunt transmise de la celula mamă la fiică.
Reparare ("reparare") - procesul de eliminare a daunelor asupra secvenței de nucleotide a ADN-ului. Se efectuează prin sisteme enzimatice speciale ale celulei (enzime de reparare). În procesul de restabilire a structurii ADN, se pot distinge următoarele etape: 1) nucleaza de reparare a ADN-ului recunoaște și îndepărtează locul deteriorat, rezultând un spațiu în lanțul ADN; 2) ADN polimeraza umple acest decalaj, copiind informația din al doilea ("bun") lanț; 3) ADN ligaza "cusăturile" nucleotidelor, finalizând repararea.
Fig. Structura ARN
ARN - molecule de heteropolimeri, ai căror monomeri sunt ribonucleotide. Spre deosebire de ADN, ARN se formează nu prin două, ci printr-un lanț polinucleotidic (cu excepția faptului că unele virusuri care conțin ARN au ARN dublu catenar). ARN nucleotidele sunt capabile să formeze legături de hidrogen între ele, dar acestea sunt legături intra-, nu intermediare.
Lanțurile ARN sunt mult mai scurte decât lanțurile ADN. ARN Monomer - nucleotidice (ribonucleotide) - constă din resturile de trei substanțe: 1) o bază de azot, 2) o perioadă de cinci carbon monozaharide (riboza) și 3) de acid fosforic. Bazele de azot ale ARN aparțin, de asemenea, clasei de pirimidine și purine. Bazele de pirimidină ale ARN sunt uracil, citozină. baze purinice - adenină și guanină.
Fig. ARNt
ydelyayut trei tipuri de ARN: 1) informație (Matrix) ARN-ul - mARN (mRNA), 2) ARN de transfer - ARNt 3) ribozomale ARN - ARNr. Toate speciile de ARN sunt polinucleotide lineare, au conformație tridimensională specifice și sunt implicate în sinteza proteinelor. Informații despre structura tuturor tipurilor de ARN sunt stocate în ADN. Procesul de sinteză a ARN pe un șablon ADN se numește transcripție.
ARN-ul de transport - conține de obicei de la 76 la 85 nucleotide; Greutatea moleculară este de 25 000-30 000. Fracția tRNA reprezintă aproximativ 10% din conținutul total de ARN din celulă. Răspunde la tARN pentru transportul aminoacizilor la locul sintezei proteinelor, la ribozomi. În celulă există circa 30 de tipuri de tRNA, fiecare dintre ele având o secvență de nucleotide care este caracteristică numai a acesteia. Totuși, toate tARN-urile au câteva regiuni complementare intramoleculare, datorită cărora tARN-urile dobândesc o conformație asemănătoare unei forme de frunze de trifoi.
molecula ARNt este o polinucleotidă liniară care structura primară - secvența de nucleotide, secundar - formarea de bucle datorită împerecherea nucleotide complementare, și terțiar - formarea unei structuri compacte datorită interacțiunii spiralized parcele structură secundară. In orice ARNt este o buclă pentru contactul la ribozomului, bucla anticodon cu bucla anticodon pentru contactul cu o tulpină enzimă acceptor. Aminoacidul este atașat la capătul 3 'al tijei acceptoare. Anticodonul este de trei nucleotide care "identifică" codonul ARNm. Trebuie subliniat faptul că un tARN specific poate transporta un aminoacid strict definit corespunzător anticodonului său. Specificitatea compusului aminoacid și tARN se obține datorită proprietăților enzimei "aminoacil-tRNA sintetază".
ARN-ul Ribosomal - conține 3 000-5 000 nucleotide. Ponderea rRNA reprezintă 80-85% din conținutul total de ARN din celulă. În combinație cu proteinele ribozomale, rRNA formează ribozomi - organele, care produc sinteza proteinelor. În celulele eucariote, sinteza ARNr apare în nucleol.
RNA-urile de informații sunt diverse în ceea ce privește conținutul de nucleotide și greutatea moleculară (până la 30.000 nucleotide). Cota ARNm reprezintă până la 5% din ARN total în celulă. Funcțiile ARNm - transferul de informații genetice de la ADN la ribozomi; o matrice pentru sinteza unei molecule de proteine; determinarea secvenței de aminoacizi a structurii primare a moleculei de proteină.
Acidul adenozin trifosforic (ATP) este o sursă universală și principala baterie de energie în celulele vii. ATP se găsește în toate celulele de plante și animale. Cantitatea de ATP este în medie de 0,04% (din greutatea umedă a celulei), cea mai mare cantitate de ATP (0,2-0,5%) este conținută în mușchii scheletici. Într-o celulă, o moleculă ATP este consumată în termen de un minut de la formarea ei. La om, cantitatea de ATP egală cu greutatea corporală se formează și se distruge la fiecare 24 de ore.
ATP este o mononucleotidă constând din reziduuri de bază de azot (adenină), riboză și trei resturi de acid fosforic. Deoarece ATP nu conține unul, ci trei reziduuri de acid fosforic, se referă la trifosfații ribonucleozidici.
Pentru cele mai multe tipuri de muncă care apar în celulele folosesc energia hidrolizei ATP. Care după scindare reziduu terminal al fosforic provenite de acid ATP la ADP (acid adenozină), cu eliminarea celui de al doilea reziduu de acid fosforic - în AMP (acid monofosforic adenozină). Randamentul energiei libere prin clivarea ambelor resturi terminale și al doilea de acid fosforic este de aproximativ 30.6 kJ / mol. Clivajul treia însoțită de eliberarea grupării fosfat numai 13,8 kJ / mol. Comunicarea între terminal și al doilea, al doilea și primele resturi de acid fosforic sunt numite de mare energie (energie înaltă).
Rezervele ATP sunt reînnoite în mod constant. În celulele tuturor organismelor, sinteza ATP are loc în timpul fosforilării, adică adăugarea de acid fosforic în ADP. Fosforilarea are loc cu intensitate diferită în timpul respirației (mitocondrie), glicoliză (citoplasmă), fotosinteză (cloroplaste).
Fig. Hidroliza ATP
ATP este principala legătură între procese, însoțită de eliberarea și acumularea energiei și procesele care au loc cu costurile energiei. În plus, ATP împreună cu alte trifosfați ribonucleozidici (GTP, CTF, UTP) este un substrat pentru sinteza ARN.
Mai mult decât atât, există alte molecule ATP cu obligațiuni de energie - UTP (acid uridintrifosfornaya), GTP (acid guanozintrifosfornaya), CTP (acid tsitidintrifosfornaya), a cărui energie este utilizată pentru biosintezei proteinelor (GTP), polizaharide (UTP), fosfolipide (CTP). Dar, totuși ele sunt formate în detrimentul energiei ATP.
Adăugarea de mononucleotidele, un rol important în reacțiile metabolice joacă dinucleotides (NAD +. + NADP. FAD) care fac parte din grupul de coenzime (molecule organice care rețin legătură cu enzima numai în cursul reacției). NAD + (nicotinamid adenin dinucleotid), NADP + (nicotinamida) - dinucleotides având în structură două baze sale azotate - amidice adenina și acid nicotinic - un derivat de vitamina PP), două reziduuri riboză și două resturi de acid fosforic (vezi figura) .. În cazul în care ATP - sursa universala de energie, NAD + și NADP + - acceptori universale și formele lor reduse - NADH și NADPH - reducerea donoare echivalente universale (doi electroni și un proton). O parte a reziduului de atom de acid nicotinic de azot amidic este tetravalent și poartă o sarcină pozitivă (NAD +). Această bază azotată se atașează cu ușurință doi electroni și un proton (adică restaurat) în acele reacții în care participarea enzimelor dehidrogenazei desprinse din atomul de hidrogen substrat doi (proton merge la a doua soluție):
Cu substrat ubstrat-H2 + NAD + + NADH + H +
Fig. Structura moleculei de dinucleotide NAD + și NADP +.
A - adăugarea grupării fosfat la restul de riboză din molecula NAD. B - adăugarea a doi electroni și un proton (anion H -) la NAD +.
În reacții inverse, enzime, oxidarea NADH sau NADPH. restaurarea substraturilor, atașarea la acestea a atomilor de hidrogen (al doilea proton provine din soluție).
FAD - flavin adenin dinucleotid - un derivat de vitamina B2 (riboflavina) este, de asemenea, un cofactor pentru dehidrogenaza, FAD dar se ataseaza doi protoni si doi electroni pentru recuperarea FADN2.
Condiții și concepte cheie
1. Nucleotida ADN-ului. 2. Baze de azot purină și pirimidină. 3. Antiparalelitatea lanțurilor de nucleotide ADN. 4. Complementaritatea. 5. Modul semiconservator al replicării ADN. 6. Lanțul ADN de nucleotide care conduc și este întârziat. 7. Replicon. 8. Reparații. 9. nucleotidă ARN. 10. ATP, ADP, AMP. 11. NAD +. NADP +. 12. FAD.
Întrebări cheie pentru repetare
Legarea nucleotidelor ADN într-un singur lanț.
Combinația dintre lanțurile de polinucleotide ale ADN-ului una cu cealaltă.
Dimensiunile ADN: lungimea, diametrul, lungimea unei rotații, distanța dintre nucleotide.
Regulile lui Chartaff, semnificația lucrării lui D. Watson și a lui F. Krik.
Replicare ADN. Enzime care asigură replicarea: helicază, topoizomerază, primază, ADN polimerază; ligază.
Structura ARN.
Tipurile de ARN, numărul, dimensiunea și funcția acestora.
Caracteristic pentru ATP.
Caracteristic pentru NAD +. NADP +. FAD.