Строение ДНК и РНК. Генетический код и его свойства

    Министерство  образования и науки Российской Федерации

    СЫКТЫВКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

    Факультет «Управление»

    Заочное отделение

    Специальность «Менеджмент» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА 

         По дисциплине «Концепции современного естествознания» 

На тему: «Строение ДНК и РНК. Генетический код и его свойства» 
 
 
 
 
 
 

Научный руководитель:           к.н. и д. кафедры философии и культурологии Демин Ф.И.

Исполнитель:                                                                  студентка группы 4210 Попова М.М. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Сыктывкар 2009

 

    СОДЕРЖАНИЕ

    ВВЕДЕНИЕ                                                                                    3

    Глава 1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты                                5

1. Состав и структура ДНК                                                      5
2. Физико-химические свойства ДНК                                      8

Глава 2. Рибонуклеиновые кислоты                                           10

2.1.   Состав и структура РНК                                                     10

2.2.   Информационная РНК                                                        12

2.3.   Транспортная РНК                                                              13

2.4.   Рибосомная РНК                                                                  15

Глава 3. Генетический код                                                           17

1. Секреты генетического кода                                               17
2. Расшифровка генетической информации                          19

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                           23

    СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                 25

 

     ВВЕДЕНИЕ

    Наследуемые признаки заложены в материальных единицах, генах, которые располагаются в  хромосомах клеточного ядра. Химическая природа генов известна с 1944 г.: речь идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Физическая структура была выяснена в 1953 г.  Двойная спираль этой макромолекулы объясняет механизм наследственной передачи признаков.

    Присматриваясь к окружающему нас миру, мы отмечаем великое разнообразие живых существ – от растений до животных. Под этим кажущимся разнообразием в действительности скрывается удивительное единство живых клеток – элементов, из которых собран любой организм и взаимодействием которых определяется  его гармоничное существование. С позиции вида сходство между отдельными особями велико, и все-таки не существует двух абсолютно идентичных организмов (не считая однояйцовых близнецов). В конце XIX века в работах Грегора Менделя были сформулированы основные законы, определившие наследственную передачу признаков из поколения в поколение. В начале ХХ века в опытах Т.Моргана было показано, что элементарные наследуемые признаки обусловлены материальными единицами (генами), локализованными в хромосомах, где они располагаются последовательно друг за другом.[ 5: 56]

    В 1944 г. работы Эвери, Мак-Леода и Мак-Карти  определили химическую природу генов: они состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Через 10 лет Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель физической структуры молекулы ДНК. Длинная молекула образована двойной спиралью, а комплиментарное взаимодействие между двумя нитями этой спирали позволяет понять, каким образом генетическая информация точно копируется (реплицируется) и передается последующим поколениям.

    Одновременно  с этими открытиями ученые пытались проанализировать и «продукты» генов, т.е. те молекулы, которые синтезируются  в клетках под их контролем. Работы Эфрусси, Бидла и Татума накануне второй мировой войны выдвинули  идею о том, что гены «продуцируют» белки. Итак, ген хранит информацию для синтеза белка (фермента), необходимого для успешного осуществления в клетке определенной реакции. Но пришлось подождать до 60-х годов, прежде чем был разгадан сложный механизм расшифровки информации, заключенной в ДНК, и ее перевода в форму белка. В конце концов, во многом благодаря трудам Ниренберга (США), был открыт закон соответствия между ДНК и белками – генетический код.

 

     Глава 1. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

3. Состав и структура ДНК

 

     Еще в 1869 году швейцарский биохимик Фридрих  Мишер обнаружил в ядре клеток соединения с кислотными свойствами и с еще большей молекулярной массой, чем белки. Альтман назвал их нуклеиновыми кислотами, от латинского слова «нуклеус» - ядро. Так же, как  и белки, нуклеиновые кислоты являются полимерами. Мономерами их служат нуклеотиды, в связи с чем нуклеиновые кислоты можно еще назвать полинуклеотидами.

     Нуклеиновые кислоты были найдены в клетках  всех организмов, начиная от простейших и кончая высшими. Самое удивительное, что химический состав, структура и основные свойства этих веществ оказались сходными у разнообразных живых организмов. Но если в построении белков принимают участие около 20 видов аминокислот, то разных нуклеотидов, входящих в состав нуклеиновых кислот, всего четыре.

     В живых клетках содержится два  типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Как  ДНК, так и РНК несут в себе нуклеотиды, состоящие из трех компонентов: азотистого основания, углевода, остатка  фосфорной кислоты. Однако комбинация этих компонентов в ДНК и РНК несколько различны. [ 3: 34]

     Молекулы  ДНК, выделенные из ядер клеток, в электронном  микроскопе представлены в виде длинных  нитей, состоящих из большого числа  дезоксирибонуклеотидов. Нити ДНК толще и длиннее, чем нити белков. Длина молекулы ДНК достигает сотен тысяч нанометров. Это несравнимо больше самой крупной белковой молекулы, которая в развернутом виде достигает в длину не более 1ОО—200 нм. Молекула ДНК по массе достигает 6*1О^-12 грамма.

     Генетическая информация, заключенная в ДНК, состоит из последовательности нуклеотидов. ДНК состоит в основном из четырех нуклеотидов, которые соответствуют четырем азотистым основаниям: аденину, гуанину, тимину и цитозину. Кроме этих оснований, препараты ДНК могут содержать метилированные производные этих оснований.

     Основную  структурную цепь молекулы ДНК образуют последовательно соединенные друг с другом молекулы пентозы и ортофосфорной  кислоты. Цепь ДНК представляет углеводно-фосфатную  последовательность, с которой соединены азотистые основания. Углеводные и фосфатные группы выполняют только структурную функцию. Молекулы ортофосфорной кислоты соединяют между собой молекулы дезоксирибозы  за  счет образования химических связей. При взаимодействии  гидроксильной группы 3-го атома углерода одной молекулы пентозы с гидроксильной группой 5-го углеродного атома другой молекулы пентозы отщепляется молекула воды. Тогда у остатков ортофосфорной кислоты сохраняется еще по одной гидроксильной группе, способной диссоциировать. Это обусловливает кислотные свойства всей макромолекулы ДНК.

     Молекула  ДНК имеет две цепи нуклеотидов, расположенных параллельно друг другу, но в обратной последовательности. Эти цепи удерживаются между собой  за счет водородных связей между парами аденин - тимин и гуанин - цитозин. При этом азотистые основания располагаются внутри спирали. Водородные связи образуются между любым электроотрицательным атомом, например кислородом тимина или азотом аденина и атомом водорода, ковалентно связанным с другим электроотрицательным атомом:

     

     Между аденином и тимином образуются две  водородные связи, между гуанином и  цитозином — три. Эти связи  играют очень важную роль в поддержании  вторичной структуры ДНК.

     Дополнение  аденина тимином и гуанина  цитозином, иначе называемое комплементарностью, обеспечивает одинаковое по всей длине двойной спирали расстояние между цепями и образование между противоположными основаниями максимального числа водородных связей, что придает молекуле одновременно устойчивость и подвижность. Последовательность оснований в одной цепи ДНК строго соответствует последовательности оснований в другой цепи. Это является необходимым условием функционирования ДНК и передачи наследственной информации. При необходимости двойная спираль ДНК легко рвется под действием фермента дезоксирибонуклеазы.

     Молекула  ДНК в ядре клетки не существует изолированно сама по себе. Она окружена связанными с ней белками. Но белки  не принимают участия в передаче наследственной информации. [ 3: 62]

     Основными белками, локализованными в ядре клеток и связанными с ДНК, являются специальные белки, называемые гистонами. Гистоны обладают основными (щелочными) свойствами благодаря высокому содержанию в них основных аминокислот. По-видимому, их действие компенсирует в некоторой степени кислотные свойства нуклеиновых кислот. По преобладающему содержанию аминокислот выделяют пять важнейших гистонов: гистон Н1 имеет высокое содержание лизина, гистон Н2b лизина содержит меньше, чем предшествующий гистон, гистон Н2а имеет высокое содержание лизина и аргинина, гистон Н3 содержит большое количество аргинина, гистон Н4 богат аргинином и глицином.

     Помимо  ядерной ДНК, эукариотические клетки содержат небольшое количество цитоплазматической ДНК, т. е. ДНК, которая располагается  в цитоплазме, за пределами ядра. Эта ДНК называется внеядерной. На долю внеядерной ДНК приходится около 0,1- 0,2 всей клеточной ДНК. Внеядерная ДНК отличается от ядерной составом азотистых оснований и молекулярной массой. Она находится в митохондриях - постоянно присутствующих внутриклеточных органоидах, участвующих в преобразовании энергии в клетке.

     Небольшое количество ДНК содержат некоторые  пластиды растительных клеток, в частности  хлоропласты, — пластиды, имеющие  хлорофилл и участвующие в  процессе фотосинтеза. 

    1.2. Физико-химические свойства ДНК

     При нагревании ДНК денатурирует, т. е. разрушается. Денатурация двух цепочек ДНК  происходит при температуре выше 90 ⁰С, а инактивация (частичное разрушение) начинается про температуре 85 ⁰С.

     При нагревании раствора ДНК и одновременном  регистрировании оптической плотности раствора при длине волны 260 нм при определенной температуре произойдет резкое увеличение поглощения света раствором. Наблюдается так называемый гиперхромный эффект. Температура, при которой наблюдается гиперхромный эффект, называется температурой плавления. Гиперхромный эффект при температуре плавления связан с тем, что происходит разрыв водородных связей и  нарушается упорядоченность молекулы ДНК. Понятие температуры плавления в отношении ДНК связывают с  кристаллическим состоянием молекулы ДНК до соответствующей температуры и нарушением упорядоченной структуры при нагревании выше температуры плавления. Характер дифракции рентгеновских лучей также указывает на кристаллическое строение дезоксирибонуклеиновой кислоты. [ 3: 117]

 

Глава 2. Рибонуклеиновые  кислоты

2.1.   Состав и структура  РНК 

     Рибонуклеиновые кислоты повсеместно распространены в живой природе. Они находятся  во всех микроорганизмах, растительных и животных клетках и являются носителями наследственной информации во многих вирусах. С чем это связано? Почему РНК, как и ДНК присутствует во всех клетках?

     Биологическая функция РНК обусловлена тем, что они обеспечивают реализацию в клетке наследственной информации, которая передается с помощью  ДНК.

     В клетке существует три главных типа РНК: информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Рибосомная РНК составляет около 80—82 % от содержания суммарной клеточной РНК, тРНК — 15-16 % и иРНК — 2-10 %. В некоторых клетках содержание иРНК относительно общей массы РНК составляет тысячные доли процента.

     В отличие от ДНК молекулы всех трех типов РНК одноцепочечные, что  является одной из важных особенностей РНК. Содержание РНК в клетке в  пересчете на массу в 5—10 раз выше, чем ДНК. Каждый из типов РНК характеризуется определенным нуклеотидным составом, что определяет их свойства. Они имеют также различную молекулярную массу.