Презентация "Нуклеиновые кислоты" по химии – проект, доклад

Нуклеиновые кислоты

Научный руководитель: Лебединская Е.М. Подготовил: студент группы Т-1 Панкратов Дмитрий

Химия

Нуклеиновые кислоты - природные высокомолекулярные соединения (биополимеры), макромолекулы Которых состоят из мононуклеотидов.

Таким образом, нуклеиновые кислоты являются полинуклеотидами.

Нуклеиновые кислоты впервые были обнаружены в 1868г. швейцарским химиком Ф.Мишером в клеточном ядре.

Относительная молекулярная масса нуклеиновых кислот варьируется от 104 до 1010.

При полном гидролизе Н.К. получают два набора продуктов гидролиза. 1.Фосфорная кислота, дезоксирибоза, два пуриновых основания(аденин и гуанин) и два пиримидиновых основания(цитозин и тимин) 2.Фосфорная кислота, рибоза, два пуриновых основания(аденин и гуанин) и два пиримидиновых основания(цитозин и урацил).

Продуктами полного гидролиза нуклеиновых кислот являются гетероциклические азотистые основания, углеводы (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота, следовательно, остатки этих соединений являются структурными компонентами нуклеиновых кислот.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДА КОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВ ДНК РНК АТФ

Возврат в меню Следующий слайд Предыдущий слайд Выход

химия. нуклеиновые кислоты

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

В 1869 году , когда Ф. Мишер выделил из ядер клеток особое вещество, обладавшее кислыми свойствами и названное им нуклеином. Нуклеин содержал большое количество фосфора. В 1889 году Альтман ввёл термин – нуклеиновая кислота. Начиная с 1879 года А. Коссель стал проводить свои исследования по химии нуклеина. Он показал, что в его состав кроме фосфорной кислоты входят пурины и пиримидины (азотистые основания), а также углеводные компоненты. Было обнаружено четыре азотистых оснований: два пурина – аденин и гуанин и два пиримидина – тимин и цитозин.

В 1924 году Р. Фельген разработал методы цитологического распознавания ДНК и РНК. Оказалось, что фуксин избирательно связывается с ДНК. Ранее считалось, что ДНК свойственна только животным клеткам. Фельген обнаружил ДНК в ядрах клеток растений. Он цитологически показал, что ДНК локализирует в ядрах клеток, а РНК – в цитоплазме. В 1936 году А. Н. Белозёрским и Н. И. Дубровской ДНК в чистом виде была выделена из ядер растений. В 1934 году Т. Касперссон, используя специфику поглощения ДНК ультрафиолетового цвета, показал связь молекул ДНК с хромосомами.

Хаймарстен и Касперссон обнаружили, что молекулы ДНК обладают большим молекулярным весом, превышающим вес молекул белка. В это же время В. Стэнли, Ф. Боуден и Н. Пири, исследуя растительные вирусы, пришли к заключению, что все вирусы содержат нуклеиновую кислоту. В свете этого они считали возможным придать нуклеиновым кислотам значение генетического материала. Эти открытия стимулировали глубокий интерес к молекулам ДНК и их генетической роли.

В 1947 году Э. Чаргафф обнаружил, что разные виды организмов характеризуются разным количественным соотношением пуриновых и пиримидиновых оснований. Это указывало на принципиально новое и важное положение, гласившее, что генетическая специфичность может быть связана с составом нуклеотидов в молекуле ДНК.

В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, опираясь на данные Чаргаффа, на материал рентгеноструктурного анализа, на принципы теории гена в роль аналитических данных, создали модель макромолекулярной структуру ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, взаимно обвитых одна вокруг другой. Таким образом, модель Уотсона-Крика открыла путь к исследованию важнейших генетических явлений.

Вторым важнейшим открытием Э. Чаргаффа было обнаружение, что соотношение азотистых оснований в молекуле ДНК не случайно. Оказалось, что в данной выборке ДНК количество тиминов равно количеству аденинов, а количество гуанинов равно количеству цитозинов

ТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой (т.е. определенной последовательностью нуклеотидных остатков в полинуклеотидной цепи) и трехмерной (пространственной) структурой.

Существует три типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), РНК (рибонуклеиновые кислоты) и АТФ (аденозинтрифосфат). Подобно углеводам и белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.

ФРАГМЕНТ ПОЛИНУКЛЕОТИДА

Остаток углевода

Остаток ортофос- форной кислоты

Остаток гетероцик- лического азотистого основания

Структурное звено полинуклеотида – остаток мононуклеотида(состоит из трех компонентов)

1. Гетероциклические азотистые основания

2. Углеводные компоненты

Углеводы, входящие в состав нуклеотидов, содержат 5 атомов углерода(пентозы). Это β - рибоза C5H10O5 и β - дезоксирибоза С5H10O4 в циклической форме.

3. Ортофосфорная кислота

Нуклеиновые кислоты являются многоосновными кислотами, потому что в их молекулах содержатся остатки ортофосфорной кислоты C3PO4. Схема образования полинуклеотида:

OH HO-P=O p y N + + …….. …….. + nH2O поликонденсация гидролиз мононуклеотиды полинуклеотид

Пуриновые основания

Пиримидиновые основания

Нуклеозиды Нуклеотиды

КОМПОНЕНТЫ МОНОНУКЛЕОТИДОВ

ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ -производные пиримидина – шестичленного гетероцикла, содержащего 2 атома азота. Для пиримидиновых оснований, содержащих в молекулах ОН – группы, характерна кето-енольная (лактамлактимная) таутомерия, связанная с миграцией протона между атомами азота и кислорода. Енольные формы содержат гидроксильные группы – ОН и двойные связи у одних и тех же атомов углерода в цикле пиримидина. Кето – формы содержат атомы кислорода, связанные двойной связью с атомами углерода в цикле пиримидина. В состав нуклеиновых кислот пиримидиновые основания входят в кето – формах.

ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ- производные пурина, который представляет собой конденсированный гетероцикл, состоящий из цикла пиримидина и цикла имидазола.

ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ

НУКЛЕОЗИДЫ - это двухкомпонентные системы, состоящие из углеводных остатков и азотистых оснований, связанных β-гликозидной связью, которая образуется между атомами С (1) углевода и N (9) в пуриновых или N (1) в пиримидиновых азотистых основаниях.

НУКЛЕОЗИДЫ

НУКЛЕОТИДЫ – это фосфаты нуклеозидов, т.е. сложные эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты.

НУКЛЕОТИДЫ

ДНК

Английские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. предложили пространственную модель молекулы ДНК. Согласно этой модели, макромолекула ДНК представляет собой спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Азотистые основания располагаются внутри спирали. На 1 виток спирали приходится, как правило, 10 нуклеотидов. Цепи выстраиваются в противоположных направлениях и удерживаются вместе водородными связями, образующимися между пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи образуются лишь между определенными основаниями: А = Т (соединены двумя водородными связями); Г = Ц (соединены тремя водородными связями). Такие пары оснований называются комплементарными парами. Таким образом, вторичная структура ДНК — это двойная спираль, образующаяся за счет водородных связей между комплементарными парами гетероциклических оснований. длина молекулы ДНК хромосомы человека достигает 8 см, но умещается в хромосоме длиной в несколько нано метров. Это объясняется тем, что двухцепочечная спираль ДНК в пространстве укладывается в еще более сложную кольцевую форму, или суперспираль. Генетическая информация, необходимая для управления синтезом белков со строго определенной структурой, закодирована нуклеотидной последовательностью цепи ДНК. В ДНК содержится всего 4 основания (А, Г, Ц, Т), кодирующей единицей для каждой аминокислоты белка являются триплет (код из трех оснований), всего возможны вариантов б4(43 = 64). Это более чем достаточно для кодирования 20 различных аминокислот входящих в состав белков.

СТРОЕНИЕ ФУНКЦИИ

ДНК.СТРОЕНИЕ

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота – высокомолекулярный линейный полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей. Мономерами ДНК являются нуклеотиды 4 типов: А, Т, Г и Ц; все они построены на основе сахара дезоксирибозы. Повторяться внутри ДНК нуклеотиды могут бесчисленное количество раз: 23 молекулы ДНК человека, например, содержат в себе более 3 млрд. пар нуклеотидов!

Каждая из цепей ДНК является линейным полимером, в котором нуклеотиды последовательно соединены друг с другом при помощи ковалентной фосфодиэфирной связи, которая образует между молекулой сахара, одного нуклеотида и фосфорной кислотой другого нуклеотида.

Образующаяся в результате цепочка имеет гигантскую длину – десятки и сотни миллионов нуклеотидов и вес 1010 -1111 . Она столь велика, что молекулу ДНК видно в световой микроскоп в виде хромосомы.

В отличие от остальных веществ клетки, ДНК представляет собой двухцепочную молекулу, в которой обе цепи прочно связаны друг с другом. Существование подобной структуры возможно благодаря особенностям строения нуклеотидов. Цепи ДНК ориентированы строго определённым образом: азотистые основания нуклеотидов обеих цепей обращены внутрь, а сахара и фосфаты – наружу; кроме того, цепи расположены очень близко друг к другу (около 1,8 нм).

В результате такого пространственного расположения между азотистыми основаниями двух нуклеотидов, расположенных друг напротив друга в обеих цепях, возникают нековалентные водородные связи. Это слабые связи, однако за счёт большого количества они прочно связывают обе цепи.

В 1949 году Э. Чаргафф опубликовал работы о закономерностях количественного содержания азотистых оснований в молекуле ДНК, позже они были названы правилами Чаргаффа. Одно из них гласит, что количество аденинов А равно количеству тиминов Т, а количество гуанинов Г – цитозинов Ц, то есть А=Т, Г=Ц. Основанием этого правила является следующий факт. Структура азотистых оснований такова, что из всех возможных взаимодействий их друг с другом энергетически и пространственно осуществляется одно-единственное, то есть определённое азотистое основание может взаимодействовать с одним единственным типом азотистых оснований.

Оказалось, что А может взаимодействовать только с Т, но не с А, Г или Ц. Т взаимодействует только с А, Г – только с Ц, а Ц – только с Г. Такое избирательное взаимодействие нуклеотидов друг с другом называют принципом комплементарности, а сами нуклеотиды – комплементарными. Говорят, что А комплементарен Т, а Г комплементарен Ц. Принцип комплементарности имеет огромное значения для строения и функционирования нуклеиновых кислот.

Поскольку нуклеотиды взаимодействуют друг с другом по принципу комплементарности, то существует строгая закономерность расположения обоих нуклеотидов в обеих цепях. Напротив А одной цепи находится Т в другой, а напротив Г стоит Ц, и наоборот. Поэтому, зная последовательность нуклеотидов одной цепи всегда можно точно знать нуклеотидную последовательность второй цепи.

ДНК.ФУНКЦИИ

Функцией ДНК является хранение, передача и воспроизведение в ряду поколений генетической информации. В организме ДНК, являясь основой уникальности индивидуальной формы, определяет, какие белки и в каких количествах необходимо синтезировать.

РНК. СТРОЕНИЕ

Строение молекул РНК во многом сходно со строением молекул ДНК. Тем не менее имеется ряд существенных отличий. В состав нуклеотидов РНК вместо дезоксирибозы входит сахар рибоза. Основание тимин замещено на урацил. Главное отличие от ДНК состоит в том, что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за этого химически РНК менее стабильна, чем ДНК: вводных растворах РНК быстрее подвергается расщеплению. Поэтому РНК менее подходит для долговременного хранения информации.

Макромолекула РНК, как правило, представляет собой одну полинуклеотидную цепь, принимающую различные пространственные формы, в том числе и спиралеобразные.

Однако её нуклеотиды также способны образовывать водородные связи между собой (например, в молекулах тРНК), но это внутри,- а не межцепочечное соединение комплементарных нуклеотидов. Устойчивых комплексов с другими молекулами РНК или ДНК в норме РНК не образует. Цепи РНК значительно короче цепей ДНК. У небольшой группы вирусов носителем генетической информации является двухцепочная РНК, которая заменяет ДНК остальных живых организмов. Это единственный пример стабильного РНК-РНК комплекса. РНК обнаружено также в цитоплазме.

АТФ

Роль нуклеотидов в организмах не ограничивается тем, что они являются мономерам нуклеиновых кислот. Например, молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) содержит остатки аденина, рибозы и фосфорной кислоты, т. е. по своему составу также является нуклеотидом. Существенное отличие АТФ от нуклеотида нуклеиновых кислот состоит в том, что вместо одного остатка фосфорной кислоты в АТФ содержится три таких остатка:

Главной функцией АТФ является хранение, перенос и выделение энергии, необходимой для протекания любых реакций. Все процессы в клетке, которые обеспечивают её энергией, в конечном счёте приводят к образованию АТФ из АДФ и фосфата (или из АМФ и двух фосфатов).

При окислении белков, углеводов и жиров, поступающих в организм с пищей, выделяется энергия, которая аккумулируется в АТФ, т. е. накапливается в процессе превращения аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ) и аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) в АТФ: За счет обратной реакции (гидролиза АТФ) АТФ + Н2О АДФ + Н3РО4 +40 кДж/моль запасенная в макроэргических связях энергия выделяется и используется живыми организмами на энергетические процессы: сокращение мышц, биосинтез белка, поддержание температуры тела у теплокровных животных и т. д. Таким образом, АТФ играет центральную роль в энергетическом обмене клетки.

АТФ – достаточно стабильное соединение, он способен перемещаться по всей клетке, «храня в себе» запас энергии. В том месте, где она необходима, АТФ расщепляется и выделяет «порцию» энергии. Образуется АТФ преимущественно в митохондриях. АТФ является универсальным переносчиком энергии. Все живые организмы Земли используют его. Существуют и другие макроэргические связи и другие макроэрги, но только АТФ является «всеобщей энергетической валютой», которую «признают» все химические процессы.