9. Органические вещества. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды. Они хранят наследственную информацию и обеспечивают её передачу между клетками и поколениями. Благодаря этим молекулам наследственные сведения могут сохраняться и использоваться организмом.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, состоящий из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — это сахар с пятью атомами углерода. Все три части нужны для строения цепи и различения её участков.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух комплементарных цепей и хранящая наследственную информацию. Комплементарными называют цепи, в которых основания соответствуют друг другу по определённым правилам. Такое устройство помогает сохранять запись информации.

РНК — рибонуклеиновая кислота, обычно одноцепочечная и участвующая в реализации наследственной информации. Она помогает использовать сведения, записанные в ДНК, например при синтезе белка. Разные виды РНК выполняют в этом процессе разные задачи.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь благодаря связям между сахаром одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого. Так возникает длинная молекула с повторяющейся сахарофосфатной основой и основаниями, выступающими в стороны. Поскольку основания могут располагаться в разном порядке, их последовательность служит записью информации.

В нуклеотидах ДНК содержится дезоксирибоза и одно из четырёх оснований: аденин, гуанин, цитозин или тимин. Две цепи соединяются основаниями и закручиваются в двойную спираль. Каждая цепь несёт последовательность оснований, а вместе они образуют устойчивую структуру для хранения информации.

Цепи ДНК соединяются не случайным образом: аденин образует пару с тимином, гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью. Оно позволяет по одной цепи восстановить другую, поэтому при копировании ДНК каждая исходная цепь может служить образцом для новой.

В РНК вместо дезоксирибозы содержится рибоза, а вместо тимина — урацил. Эти отличия задают другой состав молекулы и связаны с разнообразием её задач. РНК обычно состоит из одной цепи, поэтому может принимать формы, подходящие для выполнения разных функций.

Информационная, транспортная и рибосомная РНК вместе участвуют в синтезе белка. Информационная РНК несёт сведения о последовательности аминокислот, транспортная доставляет аминокислоты, а рибосомная входит в состав рибосом. Согласованная работа этих молекул превращает запись наследственной информации в белковую молекулу.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте молекулы по строкам: так проще увидеть, какие отличия связаны с составом, а какие — с функциями. В последней строке перечислены три основных вида РНК, тогда как ДНК рассматривается как носитель наследственной информации.

Разбор задач

Задача 1. Назовите три части нуклеотида, содержащего аденин и дезоксирибозу. Нужно определить не только уже названные компоненты, но и недостающую обязательную часть. Название сахара подсказывает, что речь идёт о нуклеотиде ДНК.

1. Определяем азотистое основание: по условию это аденин.
2. Определяем сахар: в условии указана дезоксирибоза.
3. Добавляем третью часть любого нуклеотида — остаток фосфорной кислоты.

Ответ: аденин, дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты. Проверка проста: названы основание, сахар и фосфатная часть.

Задача 2. Запишите последовательность второй цепи ДНК, комплементарную цепи А–Г–Т–Ц–Ц–А. Важно подбирать пару для каждого основания по порядку, не меняя расположение позиций. Используем соответствия А—Т и Г—Ц.

1. Напротив первого А записываем Т.
2. Напротив Г записываем Ц, напротив Т — А.
3. Для двух следующих оснований Ц записываем Г и Г, а напротив последнего А — Т.

Ответ: Т–Ц–А–Г–Г–Т. Проверьте результат, применив те же пары к каждой позиции: исходная цепь должна восстановиться.

Задача 3. В молекуле ДНК содержится 18% аденина. Определите долю остальных оснований. Так как основания соединяются парами А—Т и Г—Ц, доли оснований в каждой паре равны. Суммарно все четыре основания составляют 100%.

1. Доля тимина равна доле аденина: 18%.
2. На гуанин и цитозин вместе приходится 100% − 18% − 18% = 64%.
3. Доли гуанина и цитозина равны, поэтому 64% делим на 2: получаем по 32%.

Ответ: тимин — 18%, гуанин — 32%, цитозин — 32%. В конце проверьте сумму: 18% + 18% + 32% + 32% = 100%.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что нуклеотид состоит только из основания и сахара. Так можно подумать, если запомнить названия наиболее заметных компонентов и пропустить фосфат. Проверьте ответ по тройке: основание, пентоза, остаток фосфорной кислоты.

Вторая ошибка — путать основания ДНК и РНК. В обеих молекулах есть аденин, гуанин и цитозин, поэтому легко перенести состав одной на другую. Уточняйте тип кислоты: в ДНК есть тимин, в РНК вместо него — урацил.

Третья ошибка — считать аденин комплементарным гуанину. Это неверно: пары в ДНК — А–Т и Г–Ц. Чтобы проверить последовательность, пройдите по ней позиция за позицией и убедитесь, что для каждого основания выбрано только его парное.

Четвёртая ошибка — считать ДНК и РНК взаимозаменяемыми носителями одной роли. Их объединяет связь с наследственной информацией, но строение и задачи различаются: ДНК хранит информацию, а разные РНК помогают её использовать. Проверяйте себя вопросом, описываете ли вы состав молекулы или конкретную функцию.

Связь с другими темами

Чтобы понять состав нуклеотида и нуклеиновых кислот, пригодятся знания об органических веществах, биополимерах и атомах углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Комплементарность ДНК объясняет, как наследственный материал может удваиваться и передаваться при делении клеток. Строение и виды РНК понадобятся при изучении биосинтеза белка: они показывают, как наследственная информация реализуется в работе клетки.

Что запомнить

• Мономер нуклеиновой кислоты — нуклеотид.
• Нуклеотид состоит из основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В РНК вместо тимина находится урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а разные виды РНК участвуют в её реализации.