Страница 189 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1*. Как учёным удалось установить состав нуклеиновых кислот?

1*. Решение

Установление состава нуклеиновых кислот — это результат работы нескольких поколений учёных, которая длилась более 80 лет. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых этапов, основанных на применении методов химического анализа.

1. Открытие «нуклеина» (1869 г.)
Швейцарский учёный Фридрих Мишер, изучая лейкоциты из гноя на хирургических повязках, выделил из ядер клеток новое вещество, богатое фосфором и азотом. Он назвал его «нуклеином» (от лат. nucleus — ядро). Мишер установил, что это вещество имеет кислые свойства, но его точный химический состав оставался неизвестным.

2. Расшифровка основных компонентов (конец XIX - начало XX вв.)
Немецкий биохимик Альбрехт Коссель и его ученики провели систематический химический анализ нуклеина. С помощью кислотного гидролиза (расщепления вещества под действием кислоты) они смогли разложить его на составные части и идентифицировали:
- остаток фосфорной кислоты;
- углевод (пентозу);
- пять различных азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У).
За эти исследования Коссель был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1910 году. Именно он предложил термин «нуклеиновая кислота».

3. Идентификация сахаров и структуры нуклеотида (1909-1929 гг.)
Американский биохимик русского происхождения Фибус Левен продолжил работу Косселя. Он установил, что нуклеиновые кислоты бывают двух типов в зависимости от содержащегося в них сахара:
- Рибонуклеиновая кислота (РНК), содержащая сахар рибозу.
- Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), содержащая сахар дезоксирибозу.
Левен также показал, что три компонента — фосфат, сахар и азотистое основание — соединены вместе в единый структурный блок, который он назвал нуклеотидом. Он предположил, что нуклеиновые кислоты являются полимерами, то есть длинными цепями, состоящими из повторяющихся нуклеотидов. Однако он ошибочно выдвинул «тетрануклеотидную гипотезу», согласно которой все четыре основания (А, Г, Ц, Т) в ДНК содержатся в равных количествах, что надолго затормозило понимание роли ДНК как носителя генетической информации.

4. Установление количественных соотношений (конец 1940-х гг.)
Австро-американский биохимик Эрвин Чаргафф, используя новый на тот момент метод бумажной хроматографии для разделения и количественного анализа азотистых оснований, опроверг тетрануклеотидную гипотезу Левена. Он проанализировал ДНК из разных организмов и установил несколько фундаментальных закономерностей, известных как правила Чаргаффа:
- Количество аденина равно количеству тимина ($А=Т$).
- Количество гуанина равно количеству цитозина ($Г=Ц$).
- Следовательно, сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых оснований ($А+Г = Ц+Т$).
Эти правила сыграли решающую роль в последующем открытии структуры двойной спирали ДНК Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком в 1953 году.

Таким образом, установление состава нуклеиновых кислот стало возможным благодаря последовательному применению всё более совершенных методов химического анализа (гидролиз, хроматография) и кропотливой работе многих учёных, каждый из которых внёс свой вклад в общую картину.

Ответ: Состав нуклеиновых кислот был установлен в ходе многоэтапного научного поиска, который включал:
1. Выделение Фридрихом Мишером из ядер клеток вещества «нуклеин» (1869).
2. Химический анализ «нуклеина» Альбрехтом Косселем, который идентифицировал его основные компоненты: остаток фосфорной кислоты, углевод (пентозу) и азотистые основания (аденин, гуанин, цитозин, тимин, урацил).
3. Работу Фибуса Левена, который определил, что существуют два типа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), отличающиеся типом сахара (дезоксирибоза и рибоза), и установил их мономерное строение из нуклеотидов (фосфат + сахар + основание).
4. Открытие Эрвином Чаргаффом количественных закономерностей в составе ДНК (правила Чаргаффа: $А=Т$, $Г=Ц$), что стало финальным шагом в понимании химического состава и подготовило почву для открытия её структуры.

2*. Охарактеризуйте строение нуклеотидов и отдельных звеньев РНК и ДНК.

Строение нуклеотидов и отдельных звеньев ДНК

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — это биополимер, мономерами которого являются нуклеотиды (дезоксирибонуклеотиды). Каждый нуклеотид ДНК состоит из трех структурных компонентов, соединенных ковалентными связями:

1. Азотистое основание. В ДНК их четыре типа. Два относятся к классу пуринов: аденин (А) и гуанин (Г). Два других — к классу пиримидинов: цитозин (Ц) и тимин (Т).
2. Пятиуглеродный сахар (пентоза). В ДНК это дезоксирибоза с химической формулой $C_5H_{10}O_4$. Её ключевое отличие от рибозы (входящей в состав РНК) заключается в отсутствии гидроксильной группы (–OH) у второго атома углерода в цикле (положение 2').
3. Остаток фосфорной кислоты (фосфатная группа). Присоединяется к пятому атому углерода сахара (положение 5').

Отдельные звенья ДНК, то есть полинуклеотидные цепи, образуются путем соединения нуклеотидов друг с другом. Это происходит за счет образования прочной фосфодиэфирной связи между остатком фосфорной кислоты одного нуклеотида (в 5'-положении) и гидроксильной группой у третьего атома углерода (в 3'-положении) дезоксирибозы следующего нуклеотида. В результате формируется длинная цепь с сахарофосфатным остовом, от которого отходят азотистые основания.

В живых организмах молекула ДНК чаще всего состоит из двух таких цепей, закрученных друг вокруг друга в двойную спираль. Цепи в спирали удерживаются вместе водородными связями, которые образуются между азотистыми основаниями по принципу комплементарности (правило Чаргаффа): аденин всегда спаривается с тимином (А=Т) при помощи двух водородных связей, а гуанин — с цитозином (Г≡Ц) при помощи трех. Цепи в молекуле ДНК антипараллельны: они направлены в противоположные стороны (3'-конец одной цепи расположен напротив 5'-конца другой).

Ответ: Нуклеотид ДНК состоит из остатка фосфорной кислоты, сахара дезоксирибозы и одного из четырех азотистых оснований (А, Г, Ц, Т). Отдельные нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь (звено) с помощью фосфодиэфирных связей. Молекула ДНК представляет собой, как правило, двойную спираль из двух антипараллельных цепей, соединенных водородными связями между комплементарными основаниями А-Т и Г-Ц.

Строение нуклеотидов и отдельных звеньев РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — еще один тип нуклеиновых кислот, полимер, состоящий из рибонуклеотидов. Строение нуклеотида РНК имеет как сходства, так и важные отличия от нуклеотида ДНК. Компоненты рибонуклеотида:

1. Азотистое основание. Три основания являются общими с ДНК: аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Четвертое основание в РНК — это урацил (У), который заменяет тимин.
2. Пятиуглеродный сахар (пентоза). В РНК это рибоза с химической формулой $C_5H_{10}O_5$. В отличие от дезоксирибозы, у второго атома углерода рибозы (в 2'-положении) есть гидроксильная группа (–OH).
3. Остаток фосфорной кислоты. Структурно идентичен таковому в ДНК.

Полинуклеотидная цепь РНК (ее отдельное звено) формируется так же, как и в ДНК, — за счет образования фосфодиэфирных связей между 3'-гидроксильной группой рибозы одного нуклеотида и 5'-фосфатной группой следующего.

Основное структурное отличие молекулы РНК от ДНК заключается в том, что она чаще всего является одноцепочечной. Однако эта одиночная цепь способна сворачиваться в пространстве, образуя сложные вторичные и третичные структуры (например, "шпильки" и "петли"). В этих структурах могут возникать короткие двухцепочечные участки за счет образования водородных связей между комплементарными основаниями внутри одной цепи: аденин спаривается с урацилом (А=У), а гуанин — с цитозином (Г≡Ц).

Ответ: Нуклеотид РНК состоит из остатка фосфорной кислоты, сахара рибозы и одного из четырех азотистых оснований (А, Г, Ц, У). Нуклеотиды соединяются в единую полинуклеотидную цепь фосфодиэфирными связями. Молекулы РНК в основном одноцепочечные, но могут формировать сложные пространственные структуры с участками комплементарного спаривания оснований А-У и Г-Ц.

3*. Какова роль ДНК и РНК в биохимических процессах, протекающих в организме человека? Какова роль нуклеиновых кислот в регулировке механизма наследственности?

Какова роль ДНК и РНК в биохимических процессах, протекающих в организме человека?

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота) являются центральными макромолекулами, которые лежат в основе всех жизненных процессов в организме человека. Их главная роль заключается в управлении синтезом белков, которые, в свою очередь, выполняют все основные функции: каталитическую (ферменты), структурную, транспортную, регуляторную и др.

Роль ДНК:

1. Хранение наследственной информации. Молекула ДНК представляет собой "чертеж" или "инструкцию" для всего организма. В последовательности ее нуклеотидов (Аденин, Гуанин, Цитозин, Тимин) закодирована информация о структуре всех белков и функциональных РНК. Эта информация уникальна для каждого организма и определяет его индивидуальные признаки.

2. Передача наследственной информации. ДНК способна к самоудвоению в процессе, называемом репликацией. Благодаря этому при делении клеток каждая дочерняя клетка получает точную копию всей генетической информации. Это обеспечивает рост, развитие, регенерацию тканей и передачу наследственных признаков от родителей к потомкам.

3. Реализация наследственной информации (через транскрипцию). ДНК служит матрицей для синтеза молекул РНК. Этот процесс называется транскрипцией. Он является первым этапом "прочтения" генетической информации, когда данные с определенного участка ДНК (гена) копируются на молекулу-посредник — РНК.

Роль РНК:

РНК выступает в роли активного посредника между ДНК и местом синтеза белка (рибосомами). Существует несколько основных видов РНК:

1. Информационная РНК (иРНК или мРНК). Ее функция — перенести копию генетической информации (код) от ДНК из ядра клетки в цитоплазму к рибосомам.

2. Транспортная РНК (тРНК). Ее задача — "расшифровать" код, записанный в иРНК, и доставить к рибосоме соответствующую аминокислоту. Каждая тРНК специфична для определенной аминокислоты.

3. Рибосомная РНК (рРНК). Является структурным компонентом рибосом и играет каталитическую роль в процессе сборки белковой молекулы из аминокислот (трансляции).

Таким образом, ДНК — это постоянный архив информации, а РНК — это рабочая система, которая считывает, переносит и реализует эту информацию для поддержания всех биохимических процессов.

Ответ: ДНК хранит и передает по наследству генетическую информацию, являясь матрицей для синтеза РНК. РНК реализует эту информацию, участвуя в синтезе белка: иРНК копирует и переносит код, тРНК подносит аминокислоты, рРНК формирует рибосому. Синтезированные белки управляют всеми биохимическими процессами в организме человека.

Какова роль нуклеиновых кислот в регулировке механизма наследственности?

Нуклеиновые кислоты не только являются носителями наследственной информации, но и играют ключевую роль в регулировке механизма наследственности, то есть в контроле того, как, где и когда эта информация будет использована.

Материальная основа наследственности:

ДНК является физическим носителем генов. Последовательность нуклеотидов в ДНК определяет все наследственные признаки организма. Эта информация надежно сохраняется и точно копируется в процессе репликации, что обеспечивает ее передачу из поколения в поколение через половые клетки. Любые изменения в этой последовательности (мутации) могут приводить к изменению признаков и являются основой для наследственной изменчивости.

Регулировка проявления наследственных признаков:

Хотя все соматические клетки организма содержат одинаковый набор ДНК, они сильно различаются по строению и функциям (например, клетки мышц и нейроны). Это происходит потому, что в разных клетках активны ("экспрессируются") разные наборы генов. Регуляция экспрессии генов — это и есть регулировка механизма наследственности. Она происходит на нескольких уровнях:

1. Регуляция на уровне ДНК (транскрипционная). Этот уровень контроля определяет, будет ли ген вообще "прочитан". Специальные белки, называемые транскрипционными факторами, могут связываться с регуляторными участками ДНК, активируя или блокируя транскрипцию гена. Кроме того, химическая модификация ДНК (например, метилирование) может делать гены недоступными для считывания. Эти так называемые эпигенетические изменения также могут наследоваться, влияя на проявление признаков у потомков без изменения самой последовательности ДНК.

2. Регуляция на уровне РНК (посттранскрипционная). Даже после того, как информация с гена скопирована на иРНК, клетка может контролировать, сколько белка будет синтезировано. В этом процессе важную роль играют малые некодирующие РНК (например, микроРНК). Они могут связываться с молекулами иРНК и либо вызывать их разрушение, либо блокировать процесс трансляции на рибосоме. Это позволяет осуществлять тонкую настройку количества производимого белка и, следовательно, степени выраженности того или иного признака.

Ответ: Роль нуклеиновых кислот в регулировке наследственности двояка. Во-первых, ДНК является материальным носителем наследственной информации, обеспечивая ее хранение и передачу. Во-вторых, нуклеиновые кислоты участвуют в сложной системе контроля экспрессии генов: на уровне ДНК (через эпигенетические метки и взаимодействие с регуляторными белками) и на уровне РНК (малые РНК контролируют жизненный цикл иРНК), определяя, какие наследственные признаки будут реализованы в клетке.

4*. Определите, в состав каких известных вам нуклеиновых кислот входят радикалы следующих веществ:

a) $\begin{array}{ccc}& & \text{O-H} \\& & | \\& & \text{H-C-H} \\& & | \\\text{H-} & \text{C} & - \text{O} \\& \diagdown & / \\\text{C} & - & \text{C} \\| & & | \\\text{OH} & & \text{OH} \\| & & | \\\text{H} & & \text{H} \\\end{array}$

б) $\begin{array}{ccc}& & \text{O-H} \\& & | \\& & \text{H-C-H} \\& & | \\\text{H-} & \text{C} & - \text{O} \\& \diagdown & / \\\text{C} & - & \text{C} \\| & & | \\\text{H} & & \text{OH} \\| & & | \\\text{H} & & \text{H} \\\end{array}$

в) $\begin{array}{cccc}& & \text{NH}_2 & \\& & | & \\\text{N} & = & \text{C} & - \text{N} \\|| & & || & / \\\text{C} & - & \text{C} & = \text{C-H} \\| & & | & \\\text{N} & - & \text{N} & \\& & | & \\& & \text{H} & \\\end{array}$

а) На изображении представлена структурная формула рибозы в ее циклической (фуранозной) форме. Рибоза – это пятиуглеродный сахар (пентоза), химическая формула которого $C_5H_{10}O_5$. Ключевой особенностью строения рибозы, которая отличает ее от дезоксирибозы, является наличие гидроксильной группы ($-OH$) у второго атома углерода (в положении 2'). Остаток рибозы является углеводным компонентом, входящим в состав нуклеотидов рибонуклеиновой кислоты (РНК).

Ответ: рибонуклеиновая кислота (РНК).

б) На изображении показана циклическая (фуранозная) форма 2-дезоксирибозы. Этот углевод также является пентозой, но, в отличие от рибозы, у второго атома углерода (в положении 2') гидроксильная группа замещена на атом водорода. Химическая формула дезоксирибозы – $C_5H_{10}O_4$. Остаток дезоксирибозы является углеводным компонентом нуклеотидов дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Ответ: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).

в) На изображении представлена структурная формула аденина. Это гетероциклическое соединение, которое относится к пуриновым азотистым основаниям. Структура представляет собой 6-аминопурин. Аденин является одним из четырех канонических азотистых оснований, формирующих нуклеиновые кислоты. Он входит в состав нуклеотидов как ДНК (в паре с тимином), так и РНК (в паре с урацилом).

Ответ: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).

5*. В чём заключается сущность явления комплементарности?

В чём заключается сущность явления комплементарности?

Сущность явления комплементарности заключается в строгом соответствии друг другу молекул или их частей, позволяющем им специфически взаимодействовать. В биологии это явление наиболее ярко выражено в структуре нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Комплементарность в ДНК означает, что напротив аденина (А) одной цепи всегда находится тимин (Т) другой цепи, и они соединяются двумя водородными связями; напротив гуанина (Г) всегда находится цитозин (Ц), и они соединяются тремя водородными связями. В РНК вместо тимина с аденином связывается урацил (У). Эта специфичность спаривания азотистых оснований (А-Т/У, Г-Ц) является фундаментальной основой для точного удвоения ДНК (репликации), синтеза РНК на матрице ДНК (транскрипции) и синтеза белков на матрице РНК (трансляции), обеспечивая стабильность и передачу генетической информации.

Ответ: Сущность комплементарности состоит в строгом соответствии и специфическом взаимодействии молекул или их частей, например, комплементарное спаривание азотистых оснований (А-Т/У, Г-Ц) в нуклеиновых кислотах, что критически важно для хранения и передачи генетической информации.