5. Нуклеиновые кислоты. Аденозинтрифосфорная кислота

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, участвующие в хранении, передаче и реализации наследственной информации. Биополимером называют крупную молекулу, составленную из повторяющихся структурных единиц. Именно порядок этих единиц позволяет сохранять сведения о признаках организма и использовать их в клетке.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновых кислот, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — сахар с пятью атомами углерода; в нуклеотидах это рибоза или дезоксирибоза. Основание различается у разных нуклеотидов и вместе с их порядком формирует запись наследственной информации.

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, — нуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию; её мономеры называются дезоксирибонуклеотидами. Это значит, что сахар в каждом её нуклеотиде — дезоксирибоза. ДНК служит долговременной записью, по которой клетка может передавать сведения дочерним клеткам и использовать их при работе.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, содержащий три остатка фосфорной кислоты. В её состав также входят аденин и рибоза. АТФ переносит энергию и делает её доступной для клеточных процессов, поэтому её часто называют универсальным переносчиком энергии.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в длинную полинуклеотидную цепь: сахар одного нуклеотида связывается с остатком фосфорной кислоты следующего. Повторяющиеся сахарофосфатные участки образуют основу цепи, а азотистые основания выступают как различающиеся элементы. Поэтому информация зависит не от самого факта наличия цепи, а от порядка оснований в ней. Изменение порядка может изменить записанные сведения.

ДНК и РНК различаются сахаром, одним из оснований, строением и основной ролью. В ДНК есть дезоксирибоза и тимин, а в РНК — рибоза и урацил вместо тимина; аденин, гуанин и цитозин встречаются в обеих. ДНК обычно состоит из двух цепей, РНК чаще представлена одной. Различия позволяют ДНК быть устойчивым хранилищем информации, а РНК — выполнять разнообразные задачи при её использовании.

В двух цепях ДНК основания соединяются не произвольно: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Такие соответствующие друг другу основания называют комплементарными. Когда цепи расходятся, каждая из них может служить образцом для построения новой: к каждому основанию подбирается его партнёр. Благодаря этому копирование наследственной информации проходит с высокой точностью.

Информационная, транспортная и рибосомная РНК совместно участвуют в синтезе белка. Информационная РНК переносит запись о порядке аминокислот к месту сборки, транспортная приносит нужные аминокислоты, а рибосомная входит в состав рибосомы — клеточной структуры, где собирается белок. Разделение задач помогает связать информацию, записанную в ДНК, с образованием конкретной молекулы. Так наследственная информация реализуется в работе клетки.

В молекуле АТФ к аденину и рибозе присоединены три остатка фосфорной кислоты. При отщеплении концевого остатка АТФ превращается в АДФ и фосфат, а реакция сопровождается высвобождением энергии. Клетка использует её не сама по себе, а связывает с процессами, требующими затрат энергии, например с синтезом веществ. АТФ не служит долговременным запасом: она постоянно образуется и расходуется.

Сравнение ДНК, РНК и АТФ

Сначала сравнивайте сахар и основания: они помогают отличить ДНК от РНК. Затем смотрите на строение и функцию, чтобы не смешивать длинные информационные молекулы с АТФ. АТФ тоже нуклеотид, но в таблице она представлена как отдельная молекула-переносчик энергии.

Разбор задач

Задача 1

В нуклеотиде ДНК обнаружены дезоксирибоза и аденин. Определите, какие ещё компоненты входят в его состав. Нужно вспомнить, что даже при известном сахаре и основании нуклеотид не является только их сочетанием. У него есть ещё одна обязательная часть.

1. Нуклеотид состоит из трёх компонентов: основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. В условии уже названы основание — аденин — и пентоза — дезоксирибоза. Значит, не указан третий компонент.
2. Поскольку рассматривается нуклеотид ДНК, его компоненты образуют дезоксирибонуклеотид. К перечисленным веществам нужно добавить остаток фосфорной кислоты. Это правило применимо к любому нуклеотиду нуклеиновой кислоты.

Ответ: в состав входят остаток фосфорной кислоты, дезоксирибоза и аденин.

Задача 2

В одной цепи ДНК последовательность оснований А–Г–Т–Ц–А. Запишите последовательность комплементарной цепи. Здесь не требуется повторять исходный порядок, а нужно напротив каждого основания поставить его партнёра. Используйте пары А—Т и Г—Ц.

1. Запишите исходную цепь и сопоставьте основание в каждой позиции с комплементарным ему. Для первого А партнёр — Т, для второго Г — Ц. Такой подбор нужно выполнить отдельно для каждой позиции.
2. Продолжите подбор: напротив Т поставьте А, напротив Ц — Г, напротив последнего А — Т. Сохраните порядок позиций, потому что основания в новой цепи располагаются напротив соответствующих оснований исходной.

Ответ: Т–Ц–А–Г–Т.

Задача 3

Фрагмент ДНК содержит 20% аденина. Определите процентное содержание тимина, гуанина и цитозина. Поскольку в условии речь о ДНК, используйте равенство долей комплементарных оснований. Все четыре доли вместе должны составить 100%.

1. В двуцепочечной ДНК аденин комплементарен тимину, поэтому их доли равны. Если аденина 20%, то тимина также 20%. На долю двух оставшихся оснований приходится 100% − 20% − 20% = 60%.
2. Гуанин и цитозин тоже комплементарны, поэтому их доли одинаковы. Разделите оставшиеся 60% поровну: 60% ÷ 2 = 30%. Проверьте результат: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%.

Ответ: тимина — 20%, гуанина — 30%, цитозина — 30%.

Типичные ошибки

Ошибка: считать нуклеотид и азотистое основание одним и тем же. Такое смешение возникает, потому что именно основания различаются и несут информацию, но основание — только одна часть нуклеотида. Проверьте себя: можете ли вы назвать ещё две части? Правильный полный состав — основание, пентоза и остаток фосфорной кислоты.

Ошибка: путать сахара ДНК и РНК. Названия дезоксирибоза и рибоза похожи, поэтому их легко переставить местами. Свяжите ДНК с дезоксирибозой, а РНК — с рибозой. При проверке ответа сначала определите, о какой нуклеиновой кислоте идёт речь, и только потом называйте её сахар.

Ошибка: включать урацил в ДНК или тимин в РНК. Обычно это происходит, если запомнить только общие основания и не обратить внимания на различие между кислотами. Проверьте наборы полностью: ДНК — А, Т, Г, Ц; РНК — А, У, Г, Ц. Значит, урацил отличает РНК, а тимин входит в ДНК.

Ошибка: считать АТФ долговременным запасом энергии. Это представление возникает из-за того, что АТФ действительно связана с высвобождением энергии, но она быстро расходуется в клеточных процессах. Проверьте формулировку: АТФ переносит энергию и обеспечивает текущие потребности клетки, а не хранит её на длительный срок. Молекулы АТФ постоянно образуются и расщепляются.

Связь с другими темами

Для изучения нуклеиновых кислот нужны знания о составе органических веществ клетки, мономерах и полимерах, а также базовые представления об атомах и химических связях. Понятия ДНК и РНК станут основой для тем о наследственности, синтезе белка, делении клетки и передаче признаков. Роль АТФ понадобится при разборе обмена веществ, клеточного дыхания и фотосинтеза. С ней также связаны процессы, происходящие в клеточных органоидах.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• ДНК содержит дезоксирибозу и основания А, Т, Г, Ц.
• РНК содержит рибозу и основания А, У, Г, Ц.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• РНК участвует в реализации наследственной информации и синтезе белка.
• АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты.
• Расщепление АТФ обеспечивает энергией многие процессы в клетке.