§ 29. Структура и функции нуклеиновых кислот

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, которые хранят, передают и помогают реализовать наследственную информацию. Они связывают поколения клеток: при делении информация копируется, а при работе клетки используется для создания необходимых молекул. Поэтому нуклеиновые кислоты важны и для сохранения признаков организма, и для управления клеточными процессами.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, то есть повторяющаяся структурная единица цепи. Он состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Основание различается у разных нуклеотидов и образует «буквы» наследственной записи, а сахар и фосфат участвуют в построении цепи.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух цепей и служащая основным носителем наследственной информации. Обозначения А, Т, Г и Ц соответствуют основаниям аденину, тимину, гуанину и цитозину. Записанная ими последовательность сохраняет сведения, которые клетка может передавать и считывать.

РНК — рибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из одной цепи и участвующая в реализации наследственной информации. Её обозначают буквами А, У, Г и Ц: вместо тимина в РНК находится урацил. Разные виды РНК помогают использовать сведения ДНК при создании белка.

Как это устроено

ДНК и РНК различаются составом сахара и одним из оснований. В ДНК находится дезоксирибоза и обычно используется тимин, а в РНК — рибоза и урацил. Эти отличия позволяют распознать тип нуклеиновой кислоты и связаны с различиями в её строении и роли.

Нуклеотиды соединяются в длинную цепь: сахар одного звена связывается с остатком фосфорной кислоты соседнего. Так появляется сахарофосфатный остов — внешняя основа молекулы, которая удерживает цепь в целом. Азотистые основания выступают внутрь, где могут взаимодействовать с основаниями другой цепи или участвовать в считывании последовательности.

В двухцепочечной ДНК основания соединяются не произвольно, а определёнными парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью: основание одной цепи подходит к определённому основанию другой по строению и характеру взаимодействия. Поэтому цепи удерживаются вместе, а их последовательности дополняют друг друга.

Порядок нуклеотидов ДНК представляет собой наследственную запись: разные последовательности несут разные сведения. Когда молекула удваивается, каждая её цепь служит образцом для построения новой комплементарной цепи. Правило пар помогает не подбирать основания наугад, а точно восстановить последовательность и тем самым скопировать информацию.

В синтезе белка задействованы разные виды РНК, потому что одной молекуле нужно выполнять несколько специализированных задач. Информационная РНК (иРНК) переносит запись, скопированную с участка ДНК. Транспортная РНК (тРНК) доставляет аминокислоты, из которых строится белок, а рибосомная РНК (рРНК) входит в состав рибосом — клеточных структур, где происходит синтез белка.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте сначала сахар и основания: эти признаки помогают различить ДНК и РНК даже в составе отдельного нуклеотида. Затем сопоставьте строение и функции, чтобы увидеть, как особенности молекул связаны с их задачами. Разные виды РНК особенно удобно запоминать по их ролям в синтезе белка.

Разбор задач

Задача 1. В молекуле ДНК один участок цепи имеет последовательность А–Г–Т–Ц. Нужно записать комплементарный участок. Здесь важно подобрать к каждому основанию именно его пару, не меняя порядок позиций в цепи.

1. Для А найдём пару Т.
2. Для Г подойдёт Ц.
3. Для Т подойдёт А, а для Ц — Г.
4. Запишем найденные основания в прежнем порядке.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Проверка проста: в каждой позиции пары соответствуют правилам А—Т и Г—Ц.

Задача 2. Матричная цепь ДНК содержит последовательность Т–А–Ц–Г–Г–А. Требуется записать соответствующую последовательность иРНК. иРНК строится по матричной цепи комплементарно, но в РНК вместо тимина используется урацил.

1. Для Т в матричной цепи запишем А в РНК.
2. Для А запишем У, для Ц — Г.
3. Для каждого Г запишем Ц, а для последнего А — У.
4. Объединим основания в исходном порядке.

Ответ: А–У–Г–Ц–Ц–У. Проверьте, что в записи нет тимина: для последовательности РНК характерен урацил.

Задача 3. В молекуле ДНК обнаружено 18% аденина. Нужно определить доли тимина, гуанина и цитозина. Поскольку рассматривается двуцепочечная ДНК, используем равенство долей комплементарных оснований.

1. Доля тимина равна доле аденина, значит Т = 18%.
2. Вместе А и Т составляют 18% + 18% = 36%.
3. На Г и Ц остаётся 100% − 36% = 64%.
4. Доли Г и Ц равны, поэтому каждое основание составляет 64% ÷ 2 = 32%.

Ответ: тимин — 18%, гуанин — 32%, цитозин — 32%. Проверка: 18% + 18% + 32% + 32% = 100%.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что нуклеотид состоит только из основания и сахара. Так думают, потому что основание и сахар заметнее в описании его строения, но в состав обязательно входит и остаток фосфорной кислоты. Проверяйте себя по формуле из трёх частей: основание, пентоза, фосфат.

Ошибка — путать тимин и урацил или считать их взаимозаменяемыми в одной молекуле. Это происходит из-за того, что оба основания занимают сходное место в правилах пар, но тимин характерен для ДНК, а урацил — для РНК. Перед решением задачи уточните, какую молекулу записываете, и проверьте нужную букву.

Ошибка — записывать обе цепи ДНК одинаково. Цепи не повторяют друг друга: они комплементарны и направлены противоположно, поэтому каждому основанию одной цепи соответствует определённая пара в другой. Чтобы проверить запись, пройдите по позициям и убедитесь, что везде стоят пары А—Т или Г—Ц.

Ошибка — приписывать всем молекулам РНК одну и ту же задачу. Путаница возникает потому, что все эти молекулы участвуют в реализации наследственной информации, но делают это по-разному. Проверьте роль каждой: иРНК переносит запись, тРНК доставляет аминокислоты, рРНК входит в рибосомы.

Связь с другими темами

Для изучения нуклеиновых кислот пригодятся знания о строении клетки: ДНК и РНК находятся в клетке и участвуют в её работе. Также важно понимать, что белки выполняют множество функций, а мономеры — повторяющиеся звенья полимеров — позволяют объяснить строение длинных молекул.

Понимание строения ДНК помогает разобрать её удвоение и передачу наследственной информации. Роль разных РНК связывает эту тему с синтезом белка, а последовательность нуклеотидов — с генетическим кодом, который задаёт порядок аминокислот в белке.

Комплементарность и порядок оснований используются при изучении наследственных изменений: замена нуклеотида может изменить участок наследственной записи. Те же принципы применяют в биотехнологии, когда нужно копировать или анализировать определённые фрагменты ДНК.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза и основание тимин.
• В РНК содержится рибоза и основание урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Последовательность нуклеотидов ДНК хранит наследственную информацию.
• иРНК, тРНК и рРНК выполняют разные функции при синтезе белка.