§ 11. Нуклеиновые кислоты. АТФ

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер, из которого построены нуклеиновые кислоты. В его состав входят азотистое основание, пентоза — сахар с пятью атомами углерода — и остаток фосфорной кислоты. Основание бывает разных видов, поэтому последовательность нуклеотидов может хранить разнообразную информацию. Понимание строения мономера помогает разобраться, как устроены ДНК и РНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию клетки. Мономеры ДНК содержат сахар дезоксирибозу, азотистое основание и фосфат. Записанная в последовательности оснований информация связана с наследственными признаками и работой клетки. ДНК служит основой для передачи этой информации при делении клеток.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — нуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации. В её нуклеотидах содержится сахар рибоза, а одно из оснований — урацил. Разные виды РНК помогают использовать информацию ДНК при синтезе белка. Поэтому РНК связывает хранение наследственной записи с клеточными процессами.

Аденозинтрифосфат (АТФ) — нуклеотид, служащий универсальным переносчиком энергии в клетке. Он состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп. АТФ не образует длинную цепь, как ДНК или РНК, а участвует в обеспечении клеточной работы. Его запас постоянно восстанавливается и расходуется по мере потребности клетки.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь ковалентными связями между сахаром одного звена и фосфатом следующего. Так формируется повторяющийся сахарофосфатный остов, а азотистые основания выступают от него в стороны. Поскольку оснований несколько видов, их порядок в цепи может меняться. Именно эта последовательность служит записью информации, а не сам факт наличия сахарофосфатного остова.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, направленных противоположно друг другу, то есть антипараллельных, и закрученных в двойную спираль. Между основаниями цепей образуются водородные связи: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Пары подходят друг к другу по форме и химическим свойствам, поэтому основание одной цепи определяет основание напротив. Такое комплементарное соответствие помогает сохранять точность копирования ДНК.

РНК обычно одноцепочечна, потому что её молекулы выполняют разные задачи и могут принимать различные формы. От ДНК она отличается рибозой вместо дезоксирибозы и урацилом вместо тимина. Урацил способен образовывать пару с аденином, но не является основанием ДНК. Различия в составе и строении позволяют РНК участвовать в процессах клетки отдельно от долгосрочного хранения информации.

При синтезе белка разные виды РНК выполняют взаимодополняющие функции. Информационная РНК переносит последовательность, по которой собирают белок, от ДНК к месту синтеза. Транспортная РНК доставляет туда определённые аминокислоты, а рибосомная РНК входит в состав рибосом — клеточных структур, где соединяются аминокислоты. Такое разделение задач помогает клетке точно переводить запись в последовательность белка.

АТФ включает аденин, рибозу и три фосфатные группы. При гидролизе, то есть реакции с водой, от молекулы отщепляется конечная фосфатная группа: АТФ превращается в АДФ и фосфат. В ходе реакции высвобождается энергия, которую клетка может использовать для движения, синтеза веществ и других процессов. АТФ постоянно образуется вновь, поэтому работает как переносчик энергии между её получением и расходованием.

Сравнение ДНК, РНК и АТФ

Сравнивайте молекулы по нескольким признакам сразу: сахар и основания помогают отличить их состав, а строение и роль — понять назначение. Особенно важно не путать АТФ с РНК: у них есть общие компоненты, но АТФ — отдельный нуклеотид, а РНК — цепь. Таблица позволяет быстро проверить, к какой молекуле относится признак.

Разбор задач

Задача 1. Назовите компоненты нуклеотида ДНК и укажите, какой сахар входит в его состав. Чтобы ответить, нужно вспомнить общее строение нуклеотида и отличие ДНК от РНК. Состав записывают не как одно название молекулы, а как три компонента. Затем отдельно уточняют вид пентозы.

1. В каждом нуклеотиде есть азотистое основание.
2. К нему присоединены сахар-пентоза и остаток фосфорной кислоты.
3. Так как речь идёт о ДНК, сахаром будет дезоксирибоза.

Ответ: азотистое основание, дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты.

Задача 2. Дана цепь ДНК: А–Г–Т–Ц–Ц–А. Запишите последовательность комплементарной цепи. Ищите пару для каждого основания отдельно, сохраняя порядок позиций: напротив каждого нуклеотида второй цепи находится его комплементарный партнёр. Не нужно переставлять основания или менять направление записи задачи.

1. А заменяем на Т, поскольку аденин комплементарен тимину.
2. Г заменяем на Ц, Т — на А, Ц — на Г, ещё одну Ц — на Г.
3. Последнее А заменяем на Т и собираем основания в том же порядке.

Ответ: Т–Ц–А–Г–Г–Т.

Задача 3. В молекуле ДНК содержится 120 адениновых нуклеотидов, что составляет 20% всех нуклеотидов. Определите общее число нуклеотидов и число гуаниновых нуклеотидов. Сначала по доле аденина найдите общее количество, затем примените правила комплементарности для двуцепочечной ДНК. Обратите внимание: в условии доля указана от всех нуклеотидов молекулы, а не от одной цепи.

1. Если 120 нуклеотидов составляют 20%, общее количество равно 120 ÷ 0,20 = 600.
2. Аденину комплементарен тимин, поэтому Т тоже 120, то есть 20%.
3. На Г и Ц остаётся 600 − 120 − 120 = 360 нуклеотидов.
4. Г и Ц поровну, следовательно, гуаниновых нуклеотидов 360 ÷ 2 = 180.

Ответ: всего 600 нуклеотидов, из них гуаниновых — 180.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ДНК и РНК отличаются только числом цепей. Такое представление возникает из-за заметной разницы между двойной спиралью ДНК и часто одноцепочечной РНК. Но отличаются и сахара: дезоксирибоза в ДНК и рибоза в РНК; кроме того, в РНК вместо тимина находится урацил. Проверяйте себя по всем трём признакам: число цепей, сахар, набор оснований.

Ошибка — записывать аденин напротив гуанина или менять основания местами произвольно. Это происходит, если правило комплементарности пытаются запомнить без понимания пар. В ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Проверяя цепь, проходите её по одному символу и для каждого подставляйте только соответствующего партнёра.

Ошибка — называть АТФ нуклеиновой кислотой. Путаница понятна: АТФ содержит компоненты, характерные для нуклеотида, и в названии есть слово «аденозин». Однако АТФ — отдельный нуклеотид, а нуклеиновые кислоты представляют собой цепи множества нуклеотидов. Для самопроверки спросите себя, есть ли в описываемой молекуле полимерная цепь.

Ошибка — думать, что энергия создаётся из ничего при распаде АТФ. Так могут решить, если воспринимать АТФ как «заряженную батарейку» и забыть о химической реакции. При гидролизе АТФ высвобождается энергия, которая была связана с превращениями веществ, и клетка использует её для работы. Проверяйте объяснение: в нём должны быть указаны гидролиз, образование АДФ и использование энергии клеткой.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении клетки, мономерах и полимерах, а также об основных группах органических веществ. Представление о мономере помогает увидеть, как из отдельных нуклеотидов собираются длинные цепи. Знание клеточных структур позволяет понять, где участвуют ДНК, РНК и АТФ.

Строение ДНК и принцип комплементарности пригодятся при изучении репликации — копирования ДНК перед делением клетки. Эти знания также помогают разбираться в передаче наследственных признаков и появлении изменчивости. Соответствие оснований объясняет, как одна цепь может служить основой для построения другой.

Функции разных видов РНК необходимы для понимания биосинтеза белка. Роль АТФ связывает строение молекул с обменом веществ и клеточным дыханием, в ходе которого клетка получает энергию. Вместе эти темы показывают, как клетка хранит информацию, использует её и обеспечивает собственную работу.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза.
• В РНК вместо тимина присутствует урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп.
• АТФ переносит энергию, необходимую для процессов клетки.