§ 5. Органические вещества клетки: нуклеиновые кислоты и АТФ

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот, то есть повторяющийся строительный блок их цепей. Он состоит из азотистого основания, пентозы — сахара с пятью атомами углерода — и остатка фосфорной кислоты. Основание различается у разных нуклеотидов, поэтому из таких блоков можно строить молекулы с разными последовательностями.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, которая хранит наследственную информацию клетки. Её нуклеотиды содержат дезоксирибозу, фосфатный остаток и одно из оснований: аденин, тимин, гуанин или цитозин. Информация в ДНК определяет, какие белки клетка может синтезировать и как передаются наследственные признаки.

РНК — рибонуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации, то есть в использовании сведений ДНК при синтезе белка. В клетке важны информационная, транспортная и рибосомная РНК. Они соответственно переносят информацию, доставляют аминокислоты и участвуют в работе рибосом.

АТФ — аденозинтрифосфат, универсальный переносчик энергии в клетке. Название указывает на состав: аденозин образован аденином и рибозой, а «три фосфат» означает наличие трёх фосфатных остатков. АТФ передаёт энергию клеточным процессам и не служит хранилищем наследственной информации.

Как это устроено

Нуклеотид подходит для построения длинных цепей, потому что его части выполняют разные задачи. Пентоза и фосфат связывают соседние блоки, а азотистое основание остаётся доступным для взаимодействий и несёт различие между нуклеотидами. У ДНК сахар — дезоксирибоза, у РНК — рибоза; тимин в ДНК заменён урацилом в РНК. Поэтому похожие по общему плану молекулы различаются и химически, и по функциям.

Нуклеотиды соединяются в цепь через сахар и фосфат: повторяющееся чередование этих частей образует её основу, а основания выступают в определённом порядке. Именно порядок оснований позволяет записывать наследственную информацию, подобно тому как последовательность букв образует сообщение. Изменение одного основания может изменить запись, поэтому порядок нуклеотидов важен для работы клетки.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Основания обращены внутрь и образуют комплементарные пары: аденин соединяется с тимином, гуанин — с цитозином. Благодаря этому информация каждой цепи согласована с другой: при копировании одна цепь помогает восстановить вторую. Две цепи тем самым поддерживают сохранность записи и позволяют передать её копию.

Три основных вида РНК различаются тем, какую задачу они решают при синтезе белка. Информационная РНК переносит копию сведений о последовательности аминокислот от ДНК к рибосоме. Транспортная РНК приносит к рибосоме нужные аминокислоты, а рибосомная РНК входит в состав рибосомы и помогает организовать сборку белка. Вместе они превращают записанную в ДНК информацию в последовательность аминокислот.

В молекуле АТФ к аденозину присоединены три фосфатных остатка. При реакции отщепления конечного остатка АТФ превращается в АДФ — аденозиндифосфат, а энергия высвобождается и может быть использована клеткой. Она нужна, например, для синтеза веществ и перемещения молекул. Энергия не «лежит» в одной связи отдельно: её выход связан с целой химической реакцией и превращением веществ.

Сравнение ДНК, РНК и АТФ

Сравнивайте сначала сахар и основания: они помогают отличить ДНК от РНК. Затем сопоставьте строение с ролью каждой молекулы, чтобы не путать хранение информации с её использованием и переносом энергии.

Разбор задач

Задача 1. Назовите части нуклеотида ДНК и укажите, какой сахар входит в его состав. Сначала определим, к какому типу молекул относится нуклеотид: это строительный блок ДНК. Затем перечислим три его части и уточним, какая пентоза характерна именно для ДНК.

1. Нуклеотид включает азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты.
2. Для нуклеотидов ДНК пентоза называется дезоксирибозой; рибоза входит в нуклеотиды РНК.
3. Основанием может быть аденин, тимин, гуанин или цитозин.

Ответ: нуклеотид ДНК состоит из азотистого основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. Название сахара — ключевая подсказка, позволяющая отличить ДНК от РНК.

Задача 2. Для цепи ДНК А–Т–Г–Ц запишите последовательность оснований комплементарной цепи. Здесь важно не переставить основания местами, а для каждого символа найти его пару. В ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином.

1. Первому основанию А соответствует Т.
2. Второму основанию Т соответствует А; третьему Г соответствует Ц.
3. Последнему основанию Ц соответствует Г; записываем пары в том же порядке.

Ответ: Т–А–Ц–Г. Проверка проста: если пройти по исходной цепи от начала к концу и заменить каждое основание его парой, получится правильная последовательность.

Задача 3. Объясните, какие виды РНК участвуют в синтезе белка и какова роль каждой из них. Чтобы ответить, проследим работу с информацией: её нужно доставить к месту сборки, обеспечить аминокислотами и организовать саму сборку. Эти задачи распределены между тремя основными видами РНК.

1. Информационная РНК переносит запись о строении белка к рибосоме.
2. Транспортная РНК приносит аминокислоты, из которых строится белок.
3. Рибосомная РНК входит в состав рибосомы, где аминокислоты соединяются в цепь.

Ответ: в синтезе белка участвуют информационная, транспортная и рибосомная РНК. Вместе они обеспечивают перенос инструкции, доставку материала и место сборки белковой молекулы.

Типичные ошибки

ДНК и РНК иногда считают одинаковыми по составу, потому что обе построены из нуклеотидов. Но сахар у них разный: дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК; кроме того, тимину в РНК соответствует урацил. Проверьте себя, назвав оба отличия, а не только общее строение цепи.

При записи комплементарной цепи можно ошибочно соединить аденин с гуанином или тимин с цитозином. Это происходит, если запоминать пары как случайный список, а не применять правило к каждому основанию. Для проверки используйте только пары А–Т и Г–Ц и пройдите исходную последовательность по порядку.

АТФ иногда принимают за молекулу, которая хранит наследственную информацию, поскольку в её составе есть основание аденин. Однако её главная задача — перенос энергии, а наследственную запись хранит ДНК. Проверка: спросите себя, какую функцию выполняет молекула в клеточном процессе — передачу энергии или сохранение последовательности генетической информации.

Неверно говорить, что энергия содержится только в одной связи АТФ и просто «выходит» при её разрыве. Высвобождение энергии связано с реакцией, в которой конечный фосфатный остаток отщепляется и АТФ превращается в АДФ. Чтобы проверить объяснение, назовите продукты превращения и отметьте, что клетка использует энергию реакции.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки и органических веществах, а также понятия мономера и полимера. Полезно помнить, что мономеры соединяются в длинные молекулы, а химические связи определяют их устойчивость и взаимодействия. Эти представления помогают понять, как нуклеотиды образуют цепи ДНК и РНК.

Знания о ДНК и РНК понадобятся при изучении синтеза белка и передачи наследственной информации. Роль АТФ связана с обменом веществ и превращениями энергии: клеточные процессы требуют затрат энергии и её переноса. Поэтому тема соединяет молекулярное строение с работой клетки в целом.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• ДНК хранит наследственную информацию.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• РНК участвует в реализации наследственной информации.
• Информационная, транспортная и рибосомная РНК выполняют разные роли при синтезе белка.
• АТФ переносит энергию, необходимую для процессов в клетке.