В.В. Еремин, А.Я. Борщевский - Основы общей и физической химии (1113479), страница 70
Текст из файла (страница 70)
При этом только 10% ДНК содержит собственно генетическую информацию, остальные участки играют вспомогательную роль, зачастую еще не выясненную. 362 Тя. 11. Химия азотсодержащих органических соединений Водородные связи в РНК не подчиняются таким строгим правилам, как в ДНК. Так, гуанин (О) может образовывать водородные связи как с урацилом (()), так и с цитозином (С). Поэтому двухцепочечные участки РНК некомплементарны, и нуклеотидный состав РНК может меняться в широких пределах. РНК значительно меньше по размерам, чем ДНК: число нуклеотидов в цепи колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч, а молекулярная масса РНК может изменяться в пределах от 25 тыс. до нескольких миллионов (табл.
11.3). Таблица 11.3. Параметры молекул РНК бактерии Е. сод ДНК вЂ” главная молекула в живом организме, ее называют «молекулой жизни«. Она хранит генетическую информацию, которую организм передает от одного поколения к другому. В молекулах ДНК в закодированном виде записан состав всех белков организма. Каждой аминокислоте, входящей в состав белков, соответствует свой код в ДНК, т.е. некоторая последовательность азотистых оснований. ДНК содержит всю генетическую информацию, но непосредственно в синтезе белков не участвует.
Роль посредника между ДНК и местом синтеза белка выполняет РНК. Процесс синтеза белка на основе генетической информации схематично можно разбить на две основные стадии: считывание информации (транскрипция) и синтез белка (трансляция); Транснринция Трансляция дик янк я. ДНК мРНК урацил аденин цитозин гуанин аденин тимин гуанин цитозин Таким образом, информация, содержащаяся в ДНК, переходит в мРНК, а послед- няя доставляет ее в рибосомы.
Клетки содержат три типа РНК (табл. П.З), которые выполняют различные функции. Информационная, или матричная, РНК (ее обозначают мРНК) считывает и переносит генетическую информацию от ДНК, содержащейся в хромосомах, к рибосомам, где происходит синтез белка со строго определенной последовательностью аминокислот. Молекула мРНК под действием фермента РНК-полимеразы синтезируется на отдельном участке одной из двух цепей ДНК, причем последовательность оснований в РНК строго комплементарна последовательности оснований ДНК по схеме: э т!.5.
Нуклеиноеые кислоты 363 Транспортная РНК (тРНК) переносит аминокислоты к рибосомам, где они соединяются пептидными связями в определенной последовательности, которую задает мРНК (рис. 11.20). Рибосомная РНК (РРНК) непосредственно участвует в синтезе белков в рибосомах. Рибосомы — это сложные надмолекулярные структуры, которые состоят из четырех РРНК и нескольких десятков белков. Фактически, рибосомы — это фабрики по производству белков. Все виды РНК синтезируются на двойной спирали ДНК.
Матричная РНК Растущая палнпептндная цепь Рнс. 11.20. Роль РНК в бносннтеве белков Каким же образом зашифрована генетическая информация в ДНК? Основу генетического кода составляют азотистые основания. Последовательность оснований в цепи ДНК и связанная с ней последовательность в мРНК кодирует аминокислотный состав белков: каждая тройка оснований (ее называют кодоном) соответствует одной аминокислоте. В ДНК имеется четыре типа оснований, из которых можно составить 4з = 64 различных тройки, а аминокислот — всего 20, поэтому некоторым аминокислотам соответствует не один, а несколько кодонов. Генетический код — соответствие между 64 кодонами и 20 аминокислотами— был расшифрован в течение 1961-!966 годов.
Замечательная его особенность состоит в том, что он универсален для всех живых организмов. Одинаковым кодонам в различных живых организмах, от вируса до человека, соответствуют одни и те же аминокислоты. Генетический код вырожден. Так, лейцину, серину и аргинину соответствует по шесть кодонов, пяти аминокислотам — по четыре кодона, изолейцину — три кодона, девяти аминокислотам — по два кодона, а метионину и триптофану — по одному. Таким образом, 20 аминокислотам соответствует 61 кодон.
Еще три кодона являются сигналами для прекращения синтеза полипептидной цепи и называются кодонами-терминаторами. Расшифровка генетического кода позволяет в перспективе управлять химическими процессами в живых организмах, поскольку к настоящему времени разработаны химические методы синтеза нуклеиновых кислот с заданной последовательностью нуклеотидов.
В настоящее время состав ДНК человека (геном) известен полностью, все данные о последовательности из нескольких миллиардов пар оснований опубликованы. Международный многомиллиардный проект «Геном человека» закончен в 2004 г. Основная задача, которую теперь решают биохимики, — установить функцию каждого участка ДНК, т.е, определить, за что он отвечает в организме человека. 364 Гл. 11.
Химия аеотсодержаа1их органических соединений Коротко о главном 1. Амины — органические основания; это органические производные аммиака, в которых атомы водорода частично или полностью замешены углеводородными радикалами. Электронодонорные заместители усиливают основность аминов, электроноакцепторные — ослабляют ее. Алифатические амины — более сильные основания, чем аммиак, ароматические амины — более слабые. 2. Аминокислоты — амфотерные соединения: аминогруппа — )ч)Нз придает им основные свойства, карбоксильная группа — СООН вЂ” кислотные.
В твердом виде и в нейтральном растворе аминокислоты существуют преимущественно в виде биполярных ионов. Большинство а-аминокислот обладает оптической активностью. В живых системах аминокислоты существуют в виде Б-изомеров. 3. Аминокислоты способны к конденсации друг с другом с образованием пептидов, в которых остатки аминокислот связаны пептидной связью — СΠ— НН вЂ”. Молекулы пептидов несимметричны, их свойства зависят не только от того, какие аминокислоты входят в их состав, но и в каком порядке они связаны друг с другом. При гидролизе пептидов в кислой среде происходит полное или частичное расщепление пептидной цепи и образуются более короткие пептиды или аминокислоты, составляющие цепь. 4. Белки — природные полипептиды, имеющие большую молекулярную массу и обладающие сложной многоуровневой структурой.
Первичная структура — это последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи. Цепь свернута в спираль или имеет форму складки — это элементы вторичной структуры. Третичная структура — пространственная форма полипептидной цепи, она стабилизируется за счет дисульфидных мостиков, водородных связей, ионных и ван-дер-ваальсовых взаимодействий.
Благодаря сложности своей структуры белки способные выполнять разнообразные биологические функции. 5. В гетероциклических соединениях атом )ч) входит в состав цикла. Если электронная пара азота не участвует в образовании л-электронной системы, то соединение проявляет основные свойства, примеры — ароматическое соединение пиридин СзНзН и его гидрированное производное пиперидин СзНн1«. Если электронная пара азота входит в ароматическую систему, основные свойства исчезают, пример — пиррол С«Н«НН, очень слабая кислота. Многие производные пиридина и пиррола обладают биологической активностью, тетрапиррольный цикл составляет основу порфиринов, входящих в состав хлорофилла, гема и витамина В!2. 6.
Пять азотсодержащих гетероциклических оснований — урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин входят в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Нуклеиновые кислоты — это природные полинуклеотиды, которые хранят наследственную информацию организма и на ее основе управляют биосинтезом белка.
Их мономерной единицей служат нуклеотиды, в основе которых — молекула углевода (рибозы или дезоксирибозы), соединенная с остатками азотистого основания и фосфорной кислоты. Различные нуклеотиды связаны между собой фосфоэфнрными связями. Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей, соединенных в двойную спираль водородными связями «аденин-тимин» и «гуанин — цитозин». Генетическая информация содержится в последовательности азотистых оснований в ДНК. Каждые три последовательных основания кодируют одну аминокислоту.
ЧАСТЬ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА 11 Изучение строения вещества и установление связи между строением и свойствами веществ — одна из ключевых задач химии. Для ее решения химики применяют современные физические методы — как экспериментальные (см. рис. 1.1), так и теоретические. Фундаментом всех теоретических подходов к описанию строения химических систем служит квантовая механика.
Квантовомеханические модели и методы решения химических задач составили основу специального раздела химии — квантовой химии, главная задача которой — расчет уровней энергии и пространственной структуры атомов, ионов, молекул и их совокупностей. В данном разделе мы рассмотрим ключевые подходы, используемые в химии для описания строения вещества. Мы полагаем, что основные понятия и принципы квантовой механики читателю известны, и сконцентрируемся на химических приложениях. Материал изложен в традиционной для химии иерархической последовательности атом — ~ молекула — ~ вещество.
СТРОЕНИЕ АТОМНЫХ ЧАСТИЦ глава К атомным частицам относятся собственно атомы и их ионы — положительные (катионы) и отрицательные (анионы). Катионы образуются из атомов в результате удаления одного илн нескольких электронов. Заряд катионов не превышает заряд ядра +еУ (е — элементарный заряд, У вЂ” порядковый номер элемента). В то же время, значение отрицательного заряда аниона принципиально ничем не ограничено. В действительности свободные атомы практически не способны приобрести более одного дополнительного электрона, так как многозарядные анионы неустойчивы, т. е, имеют конечное время жизни.
Ниже под атомной частицей будем подразумевать любую систему, состоящую из одного ядра и определенного числа электронов. 512.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЦ, ВАЖНЫЕ ДЛЯ ХИМИИ Если в поле ядра движется единственный электрон, то такие частицы называют водородоподобньзми. К ним относится атом водорода Н, катионы Не+, 1!з+, Вез+ и т.п. В дальнейшем мы будем называть любую такую частицу водородоподобным атомом.
Кроме того, такие сильно возбужденные состояния многоэлектронных атомов', когда один из внешних электронов имеет большие квантовые числа, во многом напоминают по свойствам водородные. В этих состояниях возбужденный электрон в среднем находится на большом расстоянии от ядра и его движение приближенно можно рассматривать как движение в кулоновском поле атомного остатка, т. е, ядра н остальных электронов. В особенности это относится к атомам щелочных металлов, у которых сильно возбужден единственный электрон, первоначально находившийся в валентной оболочке. При этом оставшиеся электроны образуют замкнутую сферически симметричную оболочку, так что поле атомного остатка с зарядом +1 на больших расстояниях от ядра близко к кулоновскому полю атома водорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
