Какой сахар содержится в днк
Как удивительно смотреть, насколько похожи между собой бывают родители и дети. Или же, напротив, совершенно отличны и от братьев и сестер, и от папы и мамы. Почему же так получается и от чего это зависит? Какие структуры отвечают за сохранение, закрепление, передачу и проявление признаков у потомков от родителей?
Эта роль принадлежит нуклеиновым кислотам, которые формируют хромосомы. Именно они и являются молекулами, выполняющими функции всех процессов, связанных с наследственностью и изменчивостью. Особенная прерогатива в этом принадлежит молекулам ДНК.
История открытия нуклеиновых кислот
Долгое время о таких молекулах не было известно. Однако в 1869 году ученый Мишер в результате исследований обнаружил смесь ДНК и РНК, а затем сумел установить их принадлежность к кислотам. Сделал он это на основании изучения лейкоцитов в гное.
С этих пор началось активное изучение данных соединений. Многие ученые пытались установить химический состав ДНК и РНК. Понять их природу, сущность строения и биологическую роль. Большой вклад в это дело внесли такие люди, как:
- А. Н. Белозерский.
- Томас Морган.
- К. Бриджис.
- А. Меллер.
- Г. де Фриз.
- А. Стертевант.
- Г. А. Надсон.
- А. С. Серебровский.
- Н. П. Дубинин.
- Т. С. Филиппов и другие.
В период с 1900 года по наше время была выяснена природа нуклеиновый кислот, химические основы строения ДНК, ее особенности и биологическое значение. Были сделаны открытия, позволяющие считать данную молекулу универсальной основой всего живого.
Исследования в области генетики позволили установить взаимосвязь между ДНК, геном и хромосомами, расшифровать генетический код многих живых существ. Это имело важное значение для понимания устройства живой природы, механизмов ее работы.
Также был определен химический состав хромосом. Было выяснено, что основа их – молекулы нуклеиновой кислоты, имеющей специфическое строение.
ДНК: общая характеристика
Полная расшифровка аббревиатуры названия – дезоксирибонуклеиновая кислота. Наравне с РНК данная кислота относится к ряду нуклеиновых. Свое название получила за то, что в состав ДНК входит сахар. Его название – дезоксирибоза.
Химический состав ДНК и РНК очень схож, различие как раз-таки в первую очередь в углеводе, образующем молекулу. У РНК это рибоза.
В общем виде молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты представляет собой сложную двуцепочечную макромолекулу, имеющую огромную молекулярную массу и разнообразный состав. Поэтому чаще всего графическое изображение данного соединения имеет вид двух нитей, объединенных поперечными ступенями – связями.
В 1953 году Чаргафф и его сотрудники сумели раскрыть полностью внутреннее строение и состав молекулы, что имело огромное значение для всей молекулярной биологии и науки в целом. Стало очевидным, что в состав ДНК входит сахар пятиуглеродной основы (пентоза), пуриновые и пиримидиновые основания и остатки ортофосфорной кислоты.
Это позволило не только дальше расшифровать само строение соединения, но также изучить свойства, физические и химические. Биологическая роль и значение для организма была определена как основополагающая, универсальная и специфическая для каждого существа.
Химический состав
Если характеризовать внутренний атомный и молекулярный состав молекулы нуклеиновой кислоты, то можно выделить несколько основных типов соединений:
- пентоза – дезоксирибоза (углевод моносахарид);
- органические основания – пуриновые (аденин и гуанин), пиримидиновые (цитозин и тимин);
- остатки фосфорной кислоты со свободными связями.
Это, в общем-то, все химические основы строения ДНК. Другое дело, что соединение всех этих компонентов не простое, а представляет собой сложный и уникальный процесс. Так, соединенные между собой дезоксирибоза, основания и остаток неорганической кислоты вместе формируют нуклеотид. Именно из нуклеотидных последовательностей и складывается вся структура молекулы в целом.
Уникальным является то, в какой последовательности будут располагаться органические основания друг за другом и по отношению к соседней цепочке. Нуклеотидная последовательность построена по определенным принципам, главным из которых является комплементарность (строгое соответствие пуриновых и пиримидиновых компонентов). Это позволяет каждому живому существу иметь свой генетический код, уникальный, врожденный и глубоко специфический.
Фенотипически это проявляется в виде наследования совершенно разных признаков, в том, что нет двух одинаковых людей (кроме однояйцевых близнецов), отличительных чертах внешности.
В состав ДНК входит какой сахар?
Основа любого органического вещества – это углеродная цепочка атомов. Молекула ДНК не стала исключением. Ведь в состав ДНК входит сахар, а именно он состоит из последовательности пяти атомов углерода, объединенных в циклическую структуру. Эта же молекула прерывается кислородным мостиком, входящим в общий цикл.
Химический состав сахара выражается следующей эмпирической формулой: С5Н10О4. Эта молекула – альдопентоза, включающая пять атомов углерода, закрученных в цикл. Помимо этого, один из атомов цепи вместо гидроксильной группы содержит только водород, поэтому в названии сахара появилась такая приставка, как “дезокси”, то есть без кислорода.
Химический состав сахара был открыт и исследован Фибусом Ливеном, который и раскрыл всю структуру и химическую сущность соединения в 1929 году.
Основания в составе молекулы
Органические основания, входящие в состав нуклеиновой кислоты ДНК можно разделить на две основные группы.
- Пуриновые – сложные структуры, образованные двумя углеродными циклами – пятичленным и шестичленным. К ним относятся аденин и гуанин, которые комплементарны пиримидиновым основаниям в составе дезоксирибонуклеиновой кислоты.
- Пиримидиновые – шестичленные углеродные циклы. Сюда входит тимин и цитозин.
Таким образом, получается, что в состав ДНК входит сахар и основание, соединенные между собой и скрепленные связями с радикалом фосфорной кислоты. Все вместе это и получается нуклеотид. В двуцепочечной структуре общей молекулы ДНК нуклеотиды связываются между собой согласно правилу комплементарности: аденину соответствует основание тимин, а гуанину – цитозин.
Типы связей между частицами
Основные типы связей между компонентными структурами ДНК следующие:
- водородные;
- ковалентные полярные;
- силы межмолекулярного притяжения;
- ваан-дер-вальсовы взаимодействия.
Это позволяет двуцепочечной структуре существовать в трех конформациях:
- первичной – линейной последовательности нуклеотидов;
- вторичной – спирально закрученной каждой нити и обеих около друг друга;
- третичной – сложная конформационная глобула сильно спирализованной молекулы.
Таким образом то, что в состав ДНК входит сахар, основания и остатки кислоты является основой ее строения и почвой для реализации целого ряда взаимодействий и формирования химических связей.
Значение ДНК для организмов
Можно выделить несколько самых важных пунктов:
- Молекулы рассматриваемой кислоты входят в химический состав хромосом, определяющих индивидуальность всех живых организмов.
- ДНК – основа синтеза сложных полипептидных цепей, отвечающих за кодирование и передачу наследственных признаков.
- Дезоксирибонуклеиновая кислота – основа для транскрипции, то есть первичного синтеза РНК, впоследствии белка.
Такие процессы происходят во всех организмах. Это позволяет называть данную структуру универсальной единицей всего живого.
Репликация молекулы
Данный процесс представляет собой удвоение молекулы ДНК, протекающее самопроизвольно с затратой энергии в живых организмах. Основной компонент при этом – ДНК-полимераза, фермент, катализирующий и контролирующий весь синтез.
Суть репликации в том, чтобы каждая из нитей молекулы разделилась и удвоила свои линейные последовательности. В результате процесса образуются две новые молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну старую полипептидную цепь, а вторую совершенно новую, построенную согласно принципу комплементарности.
Значение процесса – обеспечить потомство генетической информацией в полном объеме.
Источник
В отличие от белков, углеводов и липидов, нуклеиновые кислоты никогда не накапливаются в клетке в больших количествах, и обнаружить их можно только с помощью специальных химических методов. Поэтому они были открыты только во второй половине XIX в., а по-настоящему изучить их роль в процессах жизнедеятельности удалось лишь во второй половине XX в. Так как первоначально они были обнаружены только в ядрах, им дали название нуклеиновые (от лат. nucleus — ядро).
Нуклеиновые кислоты — биологические полимеры, мономерами которым служат нуклеотиды. Связи между нуклеотидами легко подвергаются гидролизу (распаду при реакции с водой). Каждый нуклеотид состоит из остатков углевода, фосфорной кислоты и азотистого основания (рис. 1).
Рис. 1. Строение нуклеотида
Углеводный компонент представлен пентозами — рибозой (в РНК) или дезоксирибозой (в ДНК), у которой отсутствует кислород при втором атоме углерода (рис. 2).
Рис. 2. Пентозы
Остаток фосфорной кислоты образует сложноэфирную связь с гидроксилом при 5-м атоме углерода в сахаре. Соединение нуклеотидов в полимер происходит путем образования фосфатом одного нуклеотида второй эфирной связи с гидроксилом при 3-м углероде соседнего нуклеотида. Такая связь получила название фосфодиэфирной.
Таким образом, нуклеиновые кислоты представляют собой цепь из чередующихся остатков пентозы и фосфорной кислоты (рис. 3).
Кроме того, от первого атома углерода каждой пентозы отходит в бок азотистое основание. В этом нуклеиновые кислоты сходны с белками, в которых полимерная цепь образована пептидными группировками с отходящими от них боковыми радикалами аминокислот. Так же, как и у белков, в нуклеиновых кислотах два конца цепи неодинаковы. С одной стороны имеется не занятое связью пятое положение рибозы, этот конец называют 5’-концом. С противоположной стороны не занят связью третий гидроксил сахара, этот конец обозначают как 3’-конец. 5’-конец считается началом цепи, а 3’-конец — ее окончанием.
Рис. 3. Нуклеиновые кислоты
В одной молекуле нуклеиновой кислоты присутствует только один вид пентозы. Те молекулы, которые содержат рибозу, называют рибонуклеиновой кислотой, или сокращенно РНК. Нуклеиновую кислоту, содержащие дезоксирибозу, называют дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК.
Помимо пентозы, нуклеиновые кислоты отличаются азотистыми основаниями. Они представляют собой ароматические циклы, содержащие несколько атомов азота и заместители при определенных атомах углерода.
По структуре гетероциклов азотистые основания делятся на две группы.
Пиримидиновые азотистые основания: урацил, тимин и цитозин (рис. 4). Тимин отличается от урацила только наличием метильной группы, что незначительно меняет его свойства. В РНК встречаются урацил и цитозин, а в ДНК — тимин и цитозин.
Пуриновые основания: аденин и гуанин (рис. 5). Во всех нуклеиновых кислотах присутствуют оба пурина.
Рис. 4. Пиримидиновые основания Рис. 5. Пуриновые основания
За счет чередования различных нуклеотидов в цепи нуклеиновые кислоты могут достигать огромного многообразия (количество видов полимеров равно числу видов мономеров в степени, равной числу мономеров в цепи). И хотя число мономеров в нуклеиновых кислотах меньше, чем в белках, степень полимерности, особенно у ДНК, намного выше. Длина цепей ДНК, входящих в хромосомы разных организмов, составляет от миллионов до сотен миллионов нуклеотидов.
Молекулы РНК обычно короче, их длина — от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч нуклеотидов. А при длине цепи 500 нуклеотидов количество возможных комбинаций составляет более 10 300.
принцип комплЕментарности
При анализе содержания азотистых оснований в ДНК из различных организмов Эрвин Чаргафф обнаружил определенные закономерности, позднее названные правилами Чаргаффа.
Молярное содержание аденина всегда равно молярному содержанию тимина, а молярное содержание гуанина — молярному содержанию цитозина.
Количество пуринов равнялось количеству пиримидинов, а отношение А+Т/Г+Ц было различным у разных видов живых организмов.
Это указывало на возможные взаимодействия оснований в ДНК между собой.
На основании правил Чаргаффа и предварительных результатов рентгеноструктурного анализа Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. предложили двуспиральную модель структуры ДНК.
Согласно этой модели молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, соединенных между собой азотистыми основаниями. При этом аденин одной цепи всегда взаимодействует с тимином в другой, и наоборот. Точно так же гуанин одной цепи всегда связан с цитозином в другой (рис. 6).
Рис. 6. Образование водородных связей между азотистыми основаниями
Такие пары оснований удерживаются за счет образования между основаниями водородных связей:
пара А–Т образует 2 водородные связи;
пара Г–Ц образует 3 водородные связи.
Главной особенностью пар А–Т и Г–Ц является их одинаковая геометрия. Это позволяет построить двуспиральную молекулу с постоянным расстоянием между цепями, построенными остатками сахара и фосфорной кислоты. Образование любых других пар приводит к нарушению правильной структуры.
Такое взаимодействие оснований, при котором они дополняют друг друга до определенной структуры, одинаковой для всех пар, получило название принципа комплементарности.
Пары аденин и тимин, гуанин и цитозин называются комплементарными парами, а две цепочки нуклеиновых кислот, в которых все основания образуют комплементарные пары — комплементарными цепочками. Таким образом, каждая молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепочек полинуклеотидов (рис. 7).
Рис. 7. Принцип комплиментарности
Важной особенностью структуры двойной спирали ДНК является то, что комплементарные цепи направлены в противоположные стороны, т. е. 5’-конец одной цепи связан комплементарными основаниями с 3’-концом другой цепи, и наоборот. Основания плотно слипаются своими плоскостями, что делает связь между цепочками еще более прочной. Такое слипание получило название стэкинг-взаимодействия. В результате в центре молекулы ДНК находится как бы стержень, построенный из азотистых оснований, а по краям он обвит двумя нитями, состоящими из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты.
сравнение ДНК и РНК
| Нуклеиновая кислота | Строение | Функции | Особенности |
| ДНК | азотистое основание: аденин (А) тимин (Т) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: дезоксирибоза остаток фосфорной кислоты | хранение и передача наследственной информации | двойная спираль (по принципу комплементарности); способность к репликации (самоудвоению)
|
| РНК | азотистое основание: аденин (А) урацил (У) гуанин (Г) цитозин (Ц) углевод: рибоза остаток фосфорной кислоты | биосинтез белка | одинарная цепочка нуклеотидов |
Рис. 8. Различия в строении ДНК и РНК
Источник
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это линейный органический полимер, мономерными звеньями которого являются нуклиатиды.
Вся информация о строении и функционировании любого живого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале. Основу генетического материала организма составляет дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
ДНК большинства организмов – это длинная двухцепочечная полимерная молекула. Последовательность мономерных звеньев (дезоксирибонуклеотидов) в одной ее цепи соответствует (комплементарна) последовательности дезоксирибонуклеотидов в другой. Принцип комплементарности обеспечивает синтез новых молекул ДНК, идентичных исходным, при их удвоении (репликации).
Участок молекулы ДНК, кодирующий определенный признак, – ген.
Гены – это индивидуальные генетические элементы, имеющие строго специфичную нуклеотидную последовательность, и кодирующие определенные признаки организма. Одни из них кодируют белки, другие — только молекулы РНК.
Информация, которая содержится в генах, кодирующих белки (структурных генах), расшифровывается в ходе двух последовательных процессов:
- синтеза РНК (транскрипции): на определенном участке ДНК как на матрице синтезируется матричная РНК (мРНК).
- синтеза белка (трансляции): В ходе согласованной работы многокомпонентной системы при участии транспортных РНК (тРНК), мРНК, ферментов и различных белковых факторов осуществляется синтез белковой молекулы.
Все эти процессы обеспечивают правильный перевод зашифрованной в ДНК генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Аминокислотная последовательность белковой молекулы определяет ее структуру и функции.
Строение ДНК
ДНК – это линейный органический полимер. Его мономерные звенья – нуклеотиды, которые, в свою очередь, состоят из:
- азотистого основания;
- пятиуглеродного сахара (пентозы);
- фосфатной группы (рисунок 1).
Рисунок 1 : ДНК – строение одной цепочки нуклеотидов
При этом, фосфатная группа присоединена к 5′-атому углерода моносахаридного остатка, а органическое основание — к 1′-атому.
Основания в ДНК бывают двух типов:
- Пуриновые: аденин ( А ) и гуанин (G);
- Пиримидиновые: цитозин (С) и тимин (Т);(рисунок 2),
Рисунок 2: Азотистые основания- пуриновые и пиримидиновые
Строение нуклеотидов в молекуле ДНК
В ДНК моносахарид представлен 2′-дезоксирибозой, содержащей только 1 гидроксильную группу (ОН), а в РНК — рибозой, имеющей 2 гидроксильные группы (OH).
Нуклеотиды соединены друг с другом фосфодиэфирными связями, при этом фосфатная группа 5′-углеродного атома одного нуклеотида связана с З’-ОН-группой дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рисунок 1). На одном конце полинуклеотидной цепи находится З’-ОН-группа (З’-конец), а на другом — 5′-фосфатная группа (5′-конец).
Уровни структуры ДНК
Принято выделять 3 уровня структуры ДНК:
- первичную;
- вторичную;
- третичную.
Первичная структура ДНК – это последовательность расположения нуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК.
Вторичная структура ДНК стабилизируется водородными связями между комплементарными парами оснований и представляет собой двойную спираль из двух антипараллелных цепочек, закрученных вправо вокруг одной оси.
Общий виток спирали- 3,4нм, расстояние между цепочками 2нм.
Третичная структура ДНК – суперсперализация ДНК. Двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы, что часто вызвано ковалентным соединением их открытых концов. Суперспиральная структура ДНК обеспечивает экономную упаковку очень длинной молекулы ДНК в хромосоме. Так, в вытянутой форме длина молекулы ДНК составляет 8 см, а в форме суперспирали укладывается в 5 нм.
Правило Чаргаффа
Правило Э. Чаргаффа – это закономерность количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК:
- У ДНК молярные доли пуриновых и пиримидиновых оснований равны: А+ G = C + Т или (А + G)/(C + Т)=1.
- В ДНК количество оснований с аминогруппами (А +C) равно количеству оснований с кетогруппами (G + Т): А +C= G + Т или (А +C)/(G + Т)= 1
- Правило эквивалентности, то есть : А=Т, Г=Ц; А/Т = 1; Г/Ц=1.
- Нуклеотидный состав ДНК у организмов различных групп специфичен и характеризуется коэффициентом специфичности: (Г+Ц)/(А+Т). У высших растений и животных коэффициент специфичности меньше 1, и колеблется незначительно: от 0,54 до 0,98, у микроорганизмов он больше 1.
Модель ДНК Уотсона-Крика
Б 1953 г. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа кристаллов ДНК, пришли к выводу, что нативная ДНК состоит из двух полимерных цепей, образующих двойную спираль (рисунок 3).
Навитые одна на другую полинуклеотидные цепи удерживаются вместе водородными связями, образующимися между комплементарными основаниями противоположных цепей (рисунок 3). При этом аденин образует пару только с тимином, а гуанин — с цитозином. Пара оснований А—Т стабилизируется двумя водородными связями, а пара G—С — тремя.
Длина двухцепочечной ДНК обычно измеряется числом пар комплементарных нуклеотидов (п.н.). Для молекул ДНК, состоящих из тысяч или миллионов пар нуклеотидов, приняты единицы т.п.н. и м.п.н. соответственно. Например, ДНК хромосомы 1 человека представляет собой одну двойную спираль длиной 263 м.п.н.
Сахарофосфатный остов молекулы, который состоит из фосфатных групп и дезоксирибозных остатков, соединенных 5’—З’-фосфодиэфирными связями, образует «боковины винтовой лестницы», а пары оснований А—Т и G—С — ее ступеньки (рисунок 3).
Рисунок 3: Модель ДНК Уотсона-Крика
Цепи молекулы ДНК антипараллельны: одна из них имеет направление 3’→5′, другая 5’→3′. В соответствии с принципом комплементарности, если в одной из цепей имеется нуклеотидная последовательность 5-TAGGCAT-3′, то в комплементарной цепи в этом месте должна находиться последовательность 3′-ATCCGTA-5′. В этом случае двухцепочечная форма будет выглядеть следующим образом:
- 5′-TAGGCAT-3′
- 3-ATCCGTA-5′.
В такой записи 5′-конец верхней цепи всегда располагают слева, а 3′-конец — справа.
Носитель генетической информации должен удовлетворять двум основным требованиям: воспроизводиться (реплицироваться) с высокой точностью и детерминировать (кодировать) синтез белковых молекул.
Модель ДНК Уотсона—Крика полностью отвечает этим требованиям, так как:
- согласно принципу комплементарности каждая цепь ДНК может служить матрицей для образования новой комплементарной цепи. Следовательно, после одного раунда репликации образуются две дочерние молекулы, каждая из которых имеет такую же нуклеотидную последовательность, как исходная молекула ДНК.
- нуклеотидная последовательность структурного гена однозначно задает аминокислотную последовательность кодируемого ею белка.
Интересные факты о ДНК
- Одна молекула ДНК человека вмещает порядка 1,5 гигабайта информации. При этом, ДНК всех клеток человеческого организма занимают 60 млрд. терабайт, что сохраняются на 150-160 граммах ДНК. [2]
- Международный день ДНК отмечается 25 апреля. Именно в этот день в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature свою статью под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот», где описали двойную спираль молекулы ДНК. [3]
Источник