Содержание

Главная >> Химия 10 класс. ГДЗ. Габриелян

Кислород- и азотсодержащие органические соединения и их природные источники

§ 18. Нуклеиновые кислоты

• Нуклеиновые кислоты. Ответы

Важнейшими природными полимерами, обеспечивающими передачу наследственных свойств организмов, являются нуклеиновые кислоты. Свое название они получили от слова nucleus — «ядро», т. е. их можно назвать «ядерными кислотами».

Различают два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

Что представляет собой нуклеотид? Это трехзвенное соединение, состоящее из азотистого основания, связанного с углеводом (пентозой) и остатком фосфорной кислоты. Схематично строение нуклеотида можно представить так:

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты имеют различные структуры. Первичная структура РНК и ДНК определяется порядком чередования нуклеотидов в полимерной цепи.

В полимерной цепи каждой нуклеиновой кислоты этот порядок определяется всего лишь четырьмя видами нуклеотидов, которые, в свою очередь, отличаются друг от друга природой азотистого основания. Так, в состав ДНК входят нуклеотиды, имеющие в своем составе следующие четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). В состав нуклеотидов РНК входят также четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), урацил (У) и цитозин (Ц). (Найдите отличие РНК и ДНК по входящим в их состав азотистым основаниям.)

Второе отличие ДНК от РНК вы также без труда назовете сами: в качестве углевода пентозы нуклеотид ДНК содержит дезоксирибозу, а РНК — рибозу.

Кроме разного строения нуклеотидов, ДНК и РНК отличаются также и вторичной структурой. За исследования в определении этой структуры два американских биохимика Дж. Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии.

РНК представляет собой одинарную цепь полимера, а ДНК — двойную. Двойная спираль ДНК построена в строгом соответствии с принципом комплементарности: против аденинового нуклеотида одной цепи всегда располагается тиминовый другой полимерной цепи, против гуанинового — всегда цитозиновый. Этот порядок обусловлен возникновением водородных связей между комплементарными (дополняющими друг друга) нуклеотидами (рис. 79).

Еще одно отличие ДНК от РНК состоит в их локализации в частях клетки. Так, ДНК находится преимущественно в хромосомах клеточного ядра (99% всей ДНК клетки), а также митохондриях и хлоропластах. РНК же входит в состав ядрышек, рибосом, митохондрий, пластид и цитоплазмы.

Нуклеиновые кислоты различаются также числом нуклеотидов: от 80 нуклеотидов в молекулах транспортных РНК до нескольких десятков тысяч в ДНК.

ДНК — главная молекула в живом организме. Она хранит генетическую информацию, которая передается от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой аминокислоте, входящей в состав белка, соответствует свой код в ДНК — определенная последовательность из трех азотистых оснований (кодон).

ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в синтезе белка не участвует. Роль посредника между ДНК и местом синтеза белка выполняет иРНК. Процесс синтеза белка на основе генетической информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание информации (транскрипция) и синтез белка (трансляция):

Замечательным свойством молекулы ДНК является возможность ее самоудвоения, называемого репликацией. Под действием внешних факторов водородные связи между комплементарными основаниями разрываются, и спираль начинает раскручиваться. Параллельно этому каждая «обзаводится» второй комплементарной нитью, синтезируемой из подходящих нуклеотидов (рис. 80).

В результате репликации образуются две абсолютно одинаковые молекулы ДНК. В каждой из них одна полинуклеотидная цепочка взята от исходной ДНК, а вторая образовалась в результате биосинтеза.

Клетки содержат три типа РНК, выполняющие различные функции.

Рибосомные РНК (рРНК) составляют до 85% всей РНК клетки. Они входят в состав рибосом и выполняют структурную функцию. Кроме этого, рРНК участвуют в формировании активного центра рибосомы, где происходит образование пептидных связей между молекулами аминокислот в процессе биосинтеза белка.

Информационные, или матричные, РНК (иРНК) программируют синтез белков молекулы. Несмотря на относительно низкое процентное содержание (около 5%) в общей массе РНК клетки, иРНК по значению стоят на первом месте. Они осуществляют непосредственную передачу кода ДНК к месту синтеза белков. При этом каждый белок клетки кодируется своей специфической иРНК. Это обусловлено тем, что иРНК получает во время своего синтеза информацию о структуре белка от ДНК в форме скопированной последовательности нуклеотидов и переносит ее на рибосомы, где эта информация реализуется.

Символом тРНК обозначают транспортную РНК. Низкомолекулярные транспортные РНК (тРНК) составляют примерно 10% от всех клеточных РНК. Каждая тРНК присоединяет и переносит определенную аминокислоту к рибосомам — месту синтеза белка. Следовательно, в соответствии с 20 видами аминокислот существует и 20 различных тРНК.

Таким образом, значение всех видов РНК определяется тем, что они представляют собой функционально объединенную систему, направленную на осуществление в клетке синтеза специфических для нее белков.

Генетический код иРНК был расшифрован в 60-х гг. XX в. Его особенность состоит в том, что он универсален для всех живых организмов от вирусов до человека. Одинаковым тройкам оснований в различных РНК соответствуют одинаковые аминокислоты. Эта универсальность служит одним из доказательств единого происхождения всего живого на Земле.

Существует мнение, что процесс биологического старения вызывается тем, что генетическая информация при воспроизведении ДНК и белковом синтезе во все возрастающей мере передается с ошибками.

Расшифровка генетического кода позволит в перспективе управлять биохимическими процессами в живых организмах, поскольку уже разработаны химические методы синтеза нуклеиновых кислот с заданной последовательностью нуклеотидов.

Знание механизма биосинтеза белка в живой клетке и принципа передачи наследственных свойств организмов привело к возникновению и бурному развитию таких на правлений современной биоорганической химии, как генная инженерия и биотехнология.

Каждая клетка в организме человека содержит полный набор генов. В ДНК, например, имеется ген, который отвечает за синтез инсулина. Однако «включается» этот ген только в особых клетках поджелудочной железы, которые продуцируют этот гормон.

Инсулин — важнейший препарат, используемый для лечения сахарного диабета. Задача искусственного получения этого гормона белковой природы была решена в 80-х гг. XX в.

Первым из предложенных путей получения инсулина был следующий. Предлагалось взять клетки поджелудочной железы, вырастить колонию таких клеток, обеспечить их необходимыми аминокислотами в качестве «строительного материала» для построения цепочки инсулина, а затем выделить готовый продукт. К сожалению, в настоящее время этот путь реализовать сложно в отношении человеческих клеток.

Однако технология выращивания других, более грубых типов клеток, в особенности клеток бактерий и дрожжей, хорошо разработана. Бактерии применяют при получении таких веществ, как молочная и лимонная кислоты. Пивовары на протяжении тысячелетий используют дрожжи для превращения сахаров в этанол. Относительно недавно стали производить в биореакторах такие лекарственные вещества, как пенициллин и окситетрациклин, используя плесневые грибки.

В последние годы ученые научились встраивать гены высших организмов, в том числе человека, в клетки бактерий или дрожжей. Эти клетки можно использовать затем для синтеза белков. Подобным образом удалось заставить «работать» ген инсулина. Человеческий инсулин был впервые получен с помощью бактерий Е. coli и стал доступен в 1982 г. Позднее для этой цели были использованы клетки дрожжей, которые больше похожи на клетки человека.

Такие белки, как инсулин, человеческий гормон роста соматотропин и фактор VIII (или коагулирующий фактор — вызывает свертывание крови, применяют при гемофилии), — это продукты генной инженерии. Важнейшее преимущество этих препаратов состоит в том, что они дешевле и чище, чем вещества, полученные традиционным путем. Например, произведенный методом генной инженерии фактор VIII исключает риск заболевания СПИДом, который существует, когда препарат готовят из донорской крови.

Применение и тем более потенциальные возможности генной инженерии простираются гораздо дальше получения медицинских препаратов.

Иммунная система человека защищает его от вирусной инфекции, распознавая слой белка в оболочке вируса. Если методом генной инженерии произвести только этот белок (без опасного содержимого — вируса) и сделать инъекцию, то препарат будет работать как вакцина. Вакцина против гепатита В получена и действует именно таким образом.

Предприятия и организации по защите окружающей среды могут широко использовать модифицированные бактерии и грибы, которые преобразуют потенциально вредные соединения в безвредные. Составив генетический набор из нескольких бактерий, можно получить, например, новые «нефтепожирающие супермикробы». Бактерии выбраны для этой цели потому, что в их обмене веществ используются разные компоненты сырой нефти. Если приготовить комбинацию из соответствующих генов всех бактерий, то бактерия — носитель этой комбинации — сможет разлагать все соединения, содержащиеся в сырой нефти.

Для борьбы с сорняками и вредителями растений методами генной инженерии используют два подхода. Во-первых, гены, определяющие устойчивость растений к действию пестицидов и гербицидов, трансплантируют в штаммы сельскохозяйственных культур. При обработке полей соответствующими препаратами вредители и сорняки уничтожаются без ущерба для культурных растений. Во-вторых, некоторые растения производят свои собственные пестициды. Гены, отвечающие за продуцирование токсичных для вредных насекомых белков, вводят в клетки томатов или зерновых. Это уменьшает потребность в искусственных пестицидах.

С помощью генной инженерии проводят селекцию сельскохозяйственных культур. Гены, ускоряющие фотосинтез или увеличивающие устойчивость к засухе, могут быть встроены в клетки растений с целью сделать эти растения пригодными для выращивания в менее солнечных или более засушливых местностях. Дальнейшее развитие этой технологии может расширить область ее применения, распространив ее на гены, отвечающие, например, за связывание атмосферного азота, что позволит уменьшить потребность в минеральных удобрениях.

1. Какие соединения называют нуклеиновыми кислотами? Какие типы нуклеиновых кислот вы знаете?

2. Как устроен нуклеотид? Сравните строение нуклеотидов ДНК и РНК.

3. Сравните строение, локализацию в клетках и функции РНК и ДНК.

4. Какие разновидности РНК вы знаете? Какую роль играет каждый вид РНК в биосинтезе белка?

5. Приведите доказательства единства организации всего живого на Земле, начиная с рассмотрения химического состава клеток до высших биополимеров — нуклеиновых кислот.

6. Дана последовательность нуклеотидов на участке одной из полимерных цепей ДНК:

А—Ц—Г—Г—Т—А—А—Ц—Г—Т.

Определите последовательность нуклеотидов на комплементарном участке второй цепи.

7. Что такое биотехнология? Приготовьте сообщение о возникновении и развитии этого направления в современной науке.

8. Что такое генная инженерия? Приготовьте сообщение об успехах современной генной инженерии.

9. Что такое трансгенные формы организмов? Как вы считаете, безопасно ли использование в пищу трансгенных или генетически модифицированных продуктов? Умеете ли вы различать трансгенную пищевую продукцию по информации на упаковках?

10. Выдающимся достижением науки последних лет считается расшифровка генома человека. Что вы знаете об этом? Приготовьте сообщение на эту тему.

• Нуклеиновые кислоты. Ответы