§ 10. Строение и функции нуклеиновых кислот

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, то есть крупные молекулы, состоящие из повторяющихся звеньев. Их главная роль — хранить, передавать и реализовывать наследственную информацию клетки. К ним относятся ДНК и РНК.

Нуклеотид — звено нуклеиновой кислоты, состоящее из остатка фосфорной кислоты, сахара и азотистого основания. Именно нуклеотиды соединяются в цепи, а их основания образуют последовательность, в которой записана биологическая информация.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, молекула, хранящая наследственную информацию. В её состав входят нуклеотиды с дезоксирибозой и основаниями аденином, тимином, гуанином и цитозином. Благодаря ДНК признаки могут передаваться от клетки к клетке и от родителей потомству.

РНК — рибонуклеиновая кислота, участвующая в использовании наследственной информации. Обычно она состоит из одной цепи, содержит рибозу и урацил вместо тимина. Разные виды РНК помогают передать сведения от ДНК к месту синтеза белка и собрать там белковую молекулу.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь связями между сахаром одного звена и остатком фосфорной кислоты другого. Поэтому у цепи образуется устойчивый «скелет», а основания выступают в определённом порядке. Этот порядок важен потому, что именно последовательность оснований, а не просто длина цепи, несёт наследственную информацию.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, удерживаемых водородными связями между основаниями. Такие связи возникают не между любыми основаниями: аденин подходит к тимину, а гуанин — к цитозину. Ограниченный выбор партнёров объясняет, почему ширина молекулы остаётся примерно одинаковой и почему одна цепь может служить образцом для другой.

Две цепи ДНК закручиваются вокруг общей оси и образуют двойную спираль. Комплементарность означает соответствие оснований двух цепей, поэтому последовательность одной цепи однозначно определяет последовательность второй. При копировании каждая исходная цепь используется как матрица, благодаря чему наследственная информация воспроизводится точно.

РНК обычно представляет собой одну цепь нуклеотидов. В её составе находится рибоза, а среди оснований — аденин, гуанин, цитозин и урацил; тимина нет. Такое строение делает РНК удобной для разных временных задач: она может переносить информацию, связываться с аминокислотами или входить в состав рибосомы.

ДНК служит долговременным хранилищем наследственных сведений, а РНК помогает перевести их в последовательность аминокислот белка. Информационная РНК переносит «запись» о белке, транспортная доставляет аминокислоты, а рибосомная участвует в работе рибосом. Поэтому реализация наследственной информации требует согласованной работы нескольких молекул, а не только одной ДНК.

Сравнение ДНК и РНК

Таблицу удобно читать по строкам, сравнивая один признак у двух молекул. По первым трём строкам можно определить вещество по составу и строению, а по последним — по выполняемой работе. Особенно легко запомнить пару различий: дезоксирибоза и тимин характерны для ДНК, рибоза и урацил — для РНК.

Разбор задач

Задача 1. Укажите три части, из которых состоит нуклеотид ДНК. Нужно назвать не только основание, потому что оно является лишь одним компонентом звена. Вспомним общую схему строения нуклеотида.

1. Определяем сахар, входящий в нуклеотид ДНК: это дезоксирибоза.
2. Добавляем остаток фосфорной кислоты, соединяющий соседние звенья цепи.
3. Называем азотистое основание: это может быть аденин, тимин, гуанин или цитозин.

Ответ: нуклеотид ДНК состоит из дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.

Задача 2. Для фрагмента одной цепи ДНК А–Г–Т–Ц запишите последовательность оснований комплементарной цепи. Искомая цепь должна иметь напротив каждого основания его постоянного партнёра. Используем правила А–Т и Г–Ц.

1. Напротив А ставим Т.
2. Напротив Г ставим Ц.
3. Напротив Т ставим А, а напротив Ц — Г.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Порядок записан слева направо напротив исходного фрагмента, поэтому каждое основание проверяется отдельно.

Задача 3. В молекуле ДНК обнаружено 18% аденина. Определите долю остальных оснований. В двойной цепи количество аденина равно количеству тимина, а гуанина — количеству цитозина.

1. Находим тимин: Т = А = 18%.
2. Складываем доли А и Т: 18% + 18% = 36%.
3. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 36% = 64%.
4. Делим остаток поровну: Г = Ц = 64% : 2 = 32%.

Ответ: тимина — 18%, гуанина — 32%, цитозина — 32%. Проверка: 18% + 18% + 32% + 32% = 100%.

Типичные ошибки

Нуклеотид принимают за азотистое основание. Ошибка появляется, если запомнить только названия А, Т, Г и Ц. Проверьте себя: полный нуклеотид обязательно включает сахар и остаток фосфорной кислоты.

Путают пары оснований. Иногда запоминают основания по соседству в списке, а не по правилу комплементарности. Для проверки сразу восстановите две пары: А–Т и Г–Ц.

Приписывают РНК тимин. Это происходит из-за переноса признаков ДНК на другую нуклеиновую кислоту. Проверьте состав РНК: в ней вместо тимина находится урацил.

Считают, что вся РНК выполняет одну функцию. Такое упрощение скрывает различия между информационной, транспортной и рибосомной РНК. Проверьте ответ вопросом: переносит ли эта молекула информацию, аминокислоту или участвует в работе рибосомы?

Связь с другими темами

До изучения нуклеиновых кислот нужно знать, что клетка содержит органические вещества, а полимеры состоят из повторяющихся звеньев. Это помогает увидеть в нуклеотиде отдельный строительный блок длинной молекулы.

Знания о ДНК и РНК понадобятся при изучении хранения и передачи наследственной информации, деления клеток и синтеза белка. Сочетание гена и последовательности нуклеотидов объясняет, откуда берётся определённая последовательность аминокислот.

Связь между последовательностью нуклеотидов и последовательностью аминокислот раскрывается через генетический код. Поэтому комплементарность и роль РНК служат основой для понимания того, как клетка «считывает» наследственную информацию.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, построенные из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид включает сахар, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание.
• ДНК состоит из двух комплементарных цепей, закрученных в двойную спираль.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, гуанин — цитозину.
• В РНК содержится рибоза и урацил, а молекула обычно одноцепочечная.
• ДНК хранит наследственную информацию; РНК участвует в её реализации и синтезе белка.