§12. Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из нуклеотидов и обеспечивающие хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Биополимер — крупная молекула, построенная из повторяющихся звеньев. Нуклеиновые кислоты нужны клетке, чтобы сохранять сведения о её строении и передавать их при делении.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, включающий азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты. Мономер — небольшое звено, из которого собирается более крупная молекула, а пентоза — сахар с пятью атомами углерода. Все три части нужны: основания различаются и несут информацию, а сахар и фосфат участвуют в построении цепи.

ДНК — нуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию; обычно она имеет форму двуцепочечной спирали. Две цепи связаны друг с другом и закручены, поэтому молекула одновременно компактна и способна к точному копированию. Сохранение информации в ДНК помогает клетке передавать наследственные признаки новым клеткам.

РНК — нуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации и синтезе белка; обычно она состоит из одной цепи. Она помогает использовать сведения, записанные в ДНК, например переносит их к месту сборки белка. Поэтому РНК связывает хранение наследственной информации с работой клетки.

Как это устроено

Когда нуклеотиды соединяются, фосфатная группа одного звена связывается с сахаром следующего. Возникающая фосфодиэфирная связь прочна и формирует повторяющийся каркас цепи, а основания выступают от этого каркаса. Так получается длинная молекула, в которой порядок звеньев можно читать как последовательность символов.

Основания в цепи могут располагаться в разном порядке, и именно это разнообразие позволяет записывать разные сведения. Последовательность оснований образует генетический код: участки информации задают порядок аминокислот при создании белка. Если изменить порядок нуклеотидов, может измениться и инструкция, по которой клетка собирает белок.

В ДНК основания двух цепей соединяются не произвольно: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью, то есть взаимным дополнением цепей. Благодаря ему каждая цепь служит образцом для построения второй: клетка подбирает к каждому основанию его пару, что помогает точно копировать ДНК перед делением.

ДНК и РНК различаются сахаром и одним из азотистых оснований. В ДНК находится дезоксирибоза и используется тимин, а в РНК — рибоза и урацил; аденин, гуанин и цитозин встречаются в обеих молекулах. Поэтому при сравнении важно проверять сразу оба признака, а не только число цепей.

ДНК хранит наследственные сведения, но для синтеза белка клетка использует РНК. Информация переписывается в молекулу РНК, а затем разные виды РНК помогают доставить её к рибосоме и собрать белок из аминокислот. Так последовательность нуклеотидов в итоге влияет на строение белков, которые выполняют множество клеточных функций.

Сравнение ДНК и РНК

Сопоставляйте молекулы по каждому признаку: особенно полезны состав сахара, набор оснований и основная функция. Указания «обычно» важны: РНК чаще одноцепочечна, а расположение нуклеиновых кислот может различаться в зависимости от типа клетки и молекулы.

Разбор задач

Задача 1. Определите последовательность второй цепи ДНК, если участок первой цепи имеет вид А–Т–Г–Ц–Ц–А. Нужно найти основание, которое будет напротив каждого нуклеотида исходной цепи. Для этого применяем пары А—Т и Г—Ц.

1. Записываем исходную последовательность: А–Т–Г–Ц–Ц–А.
2. Под каждым основанием указываем пару: напротив А ставим Т, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г.
3. Проверяем, что длина второй цепи такая же, а каждой позиции соответствует именно комплементарное основание.

Ответ: Т–А–Ц–Г–Г–Т.

Задача 2. В молекуле ДНК содержится 20% аденина. Определите долю тимина, гуанина и цитозина. Поскольку в двуцепочечной ДНК А соединяется с Т, а Г — с Ц, доли оснований каждой пары равны. Все четыре основания вместе составляют 100%.

1. По правилу Чаргаффа доля тимина равна доле аденина: Т = 20%.
2. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 20% − 20% = 60%.
3. Поровну распределяем остаток между Г и Ц: 60% ÷ 2 = 30% для каждого.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%.

Задача 3. Фрагмент ДНК содержит 12 пар нуклеотидов, из них 7 пар Г–Ц. Определите число водородных связей. Пары А–Т и Г–Ц дают разное число связей, поэтому недостаточно просто умножить число пар на одно и то же значение. Сначала найдём число пар А–Т, затем учтём вклад обоих типов.

1. Всего 12 пар, из них 7 — Г–Ц, значит, пар А–Т: 12 − 7 = 5.
2. Пять пар А–Т образуют 5 × 2 = 10 водородных связей.
3. Семь пар Г–Ц образуют 7 × 3 = 21 связь; складываем: 10 + 21 = 31.

Ответ: 31 водородная связь.

Типичные ошибки

Нуклеотид иногда принимают за одно азотистое основание, потому что именно основания различаются и несут информацию. Но основание — лишь одна часть мономера: в нём есть также сахар и фосфатный остаток. Проверка простая: перечислите три части; если сахара или фосфата нет, вы описываете не нуклеотид целиком.

Тимин и урацил путают из-за того, что оба связаны с аденином. Однако тимин характерен для ДНК, а урацил — для РНК. Перед ответом проверьте, о какой молекуле идёт речь и какой сахар в ней содержится: дезоксирибоза указывает на ДНК, рибоза — на РНК.

При записи второй цепи иногда повторяют исходную последовательность, не учитывая комплементарность. Это происходит, когда цепи воспринимают как одинаковые, хотя напротив каждого нуклеотида должен находиться его партнёр. Проверьте каждую позицию по парам А–Т и Г–Ц, а затем убедитесь, что цепи не совпадают там, где основание заменяется на комплементарное.

ДНК и РНК могут ошибочно казаться взаимозаменяемыми, потому что обе состоят из нуклеотидов. Но ДНК главным образом хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её передаче и реализации, в том числе при синтезе белка. Чтобы себя проверить, назовите отдельно функцию каждой молекулы и не подменяйте хранение информации её использованием.

Связь с другими темами

Для понимания темы пригодятся знания о строении клетки, роли ядра, химическом составе клетки и органических веществах. Нуклеиновые кислоты помогают объяснить, как наследственная информация сохраняется и передаётся при клеточном делении. Их устройство станет основой для изучения генетики, репликации ДНК, транскрипции, трансляции и биосинтеза белка. Эти знания также используют при разборе мутаций и в биотехнологиях.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов.
• Нуклеотид включает азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты.
• ДНК хранит наследственную информацию.
• РНК участвует в передаче и реализации наследственной информации.
• В ДНК комплементарны пары А–Т и Г–Ц.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• Последовательность нуклеотидов определяет последовательность аминокислот в белке.