§ 5. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, то есть крупные молекулы, построенные из повторяющихся звеньев-нуклеотидов. Они обеспечивают хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Иначе говоря, в них записаны инструкции, которыми клетка пользуется при своей работе и образовании белков.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, её отдельное структурное звено. В его состав входят азотистое основание, сахар-пентоза и остаток фосфорной кислоты. Основания различаются между собой и образуют последовательность, несущую информацию, а сахар с фосфатом составляют основу цепи.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух цепей. Её основная роль — хранить наследственную информацию в последовательности нуклеотидов. Такая запись может копироваться и передаваться при делении клетки, поэтому ДНК связывает поколения клеток.

РНК — рибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из одной цепи. Она участвует в реализации информации, записанной в ДНК, в частности при синтезе белка. Разные молекулы РНК выполняют разные задачи: передают сведения, доставляют строительные блоки или участвуют в работе рибосомы.

Как это устроено

У нуклеотидов ДНК и РНК различается сахар: в первой находится дезоксирибоза, во второй — рибоза. Отличается и набор оснований: ДНК содержит А, Т, Г и Ц, а РНК — А, У, Г и Ц. Тимин и урацил сходны по роли, но относятся к разным молекулам; поэтому состав помогает различать ДНК и РНК и поддерживает особенности их работы.

Нуклеотиды соединяются в цепь: сахар одного звена связывается с фосфатным остатком следующего. Азотистые основания выступают как буквы записи, а их порядок может меняться. Именно последовательность оснований, а не просто наличие определённых веществ, несёт информацию: разные последовательности задают разные инструкции для клетки.

Две цепи ДНК закручены одна вокруг другой, образуя двойную спираль. Их основания обращены внутрь молекулы и соединяются не произвольно, а комплементарно: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Такая избирательность возникает из-за соответствия оснований друг другу и позволяет двум цепям образовывать устойчивую пару по всей длине.

Комплементарность делает копирование ДНК точным: каждая исходная цепь служит образцом для построения новой. К ней присоединяются нуклеотиды с подходящими основаниями — напротив А встаёт Т, напротив Г — Ц. В результате образуются молекулы с той же последовательностью пар, и наследственная информация может передаваться клеткам-потомкам.

Разные виды РНК связаны с разными этапами сборки белка. Информационная РНК переносит сведения о белке от ДНК к месту его синтеза; транспортная РНК доставляет туда соответствующие аминокислоты. Рибосомная РНК входит в состав рибосом, где аминокислоты соединяются в белковую цепь. Такое разделение функций помогает клетке последовательно использовать запись ДНК.

Сравнение ДНК и РНК

Чтобы определить тип молекулы, сравните прежде всего сахар и набор оснований: дезоксирибоза и тимин указывают на ДНК, рибоза и урацил — на РНК. Затем сопоставьте число цепей и основную функцию. Таблица показывает общие признаки, поэтому слова «обычно» не означают, что возможных особенностей строения не бывает.

Разбор задач

1. Сахар и основание в нуклеотиде

В нуклеотиде обнаружены дезоксирибоза и тимин. Определите, к какой нуклеиновой кислоте он относится. Для решения достаточно сопоставить оба признака с составом нуклеотидов ДНК и РНК: один признак уже может подсказать ответ, а второй служит проверкой.

1. Определяем сахар: дезоксирибоза характерна для ДНК, тогда как РНК содержит рибозу.
2. Проверяем основание: тимин входит в состав ДНК, а в РНК его место занимает урацил.
3. Оба признака указывают на один и тот же тип нуклеиновой кислоты.

Ответ: нуклеотид относится к ДНК.

2. Комплементарная цепь ДНК

Одна цепь ДНК имеет последовательность А–Г–Т–Ц–А. Нужно записать комплементарную цепь. Сначала рассматриваем основания по порядку, затем для каждого подбираем пару; порядок позиций сохраняем, так как каждая пара образуется напротив соответствующего основания исходной цепи.

1. Напротив А записываем Т.
2. Напротив Г записываем Ц, а напротив Т — А.
3. Напротив Ц записываем Г, а напротив последнего А — Т.
4. Собираем основания в исходном порядке: Т–Ц–А–Г–Т.

Ответ: комплементарная цепь — Т–Ц–А–Г–Т. Не следует переставлять основания или подбирать к каждому из них такое же: важна пара А—Т либо Г—Ц.

3. Доли оснований в ДНК

В двуцепочечной молекуле ДНК содержится 20% аденина. Требуется определить долю остальных оснований. В комплементарной ДНК количество А равно количеству Т, а количество Г — количеству Ц, потому что эти основания образуют пары друг с другом.

1. Записываем долю аденина: А = 20%.
2. По комплементарности доля тимина такая же: Т = 20%.
3. Вместе А и Т составляют 40%, поэтому на Г и Ц остаётся 100% − 40% = 60%.
4. Поскольку Г = Ц, делим остаток поровну: 60% ÷ 2 = 30% для каждого основания.

Ответ: тимина — 20%, гуанина — 30%, цитозина — 30%. Проверка: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%.

Типичные ошибки

Путать тимин и урацил — значит приписывать основание не той молекуле. Это происходит потому, что оба основания сходны по роли в записи нуклеотидной последовательности. Проверяйте тип сахара и основания вместе: тимин и дезоксирибоза относятся к ДНК, урацил и рибоза — к РНК.

Предполагать, что в ДНК соединяются одинаковые основания, неверно: пары образуются между комплементарными основаниями А—Т и Г—Ц. Ошибка может возникнуть, если воспринимать цепи как две одинаковые копии. Для проверки мысленно поставьте основания напротив друг друга и убедитесь, что каждая пара соответствует правилу комплементарности.

Называть ДНК и РНК белками нельзя: это разные классы органических молекул. Их часто связывают с белками из-за роли в их синтезе, но нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов. Проверка простая: если речь идёт о цепи из нуклеотидов и записи наследственной информации, это ДНК или РНК, а не белок.

Считать, что вся РНК выполняет одну функцию, — значит смешивать информационную, транспортную и рибосомную РНК. Их названия могут казаться просто вариантами одной молекулы, но каждая участвует в отдельной задаче при синтезе белка. Чтобы проверить себя, спросите, что именно делает молекула: переносит сведения, доставляет аминокислоту или входит в состав рибосомы.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеиновых кислот нужны знания о строении клетки, химических элементах и органических веществах. Понятия мономера и полимера помогают увидеть, как из небольших повторяющихся звеньев складывается длинная молекула. Знание состава нуклеотида, в свою очередь, подготавливает к изучению того, как клетка копирует ДНК и использует её информацию.

Дальше эта тема понадобится при изучении удвоения ДНК, генетического кода, синтеза белка и наследственности. Правило комплементарности объясняет точность копирования, а последовательность оснований становится основой для разбора генетической информации. Роли разных видов РНК помогают понять, как запись в ДНК используется при создании белка и как признаки связаны с наследованием.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
• Каждый нуклеотид включает азотистое основание, сахар и остаток фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза и основания А, Т, Г, Ц.
• В РНК содержится рибоза и основания А, У, Г, Ц.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а разные виды РНК участвуют в её реализации.