2.6. Органические вещества. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Они хранят наследственную информацию и помогают клетке использовать её, например при образовании белков. Без них организм не мог бы передавать сведения о своих признаках и обеспечивать работу клеток.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновой кислоты, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — это сахар, в молекуле которого пять атомов углерода. Различия в основаниях и сахаре позволяют отличать нуклеотиды ДНК от нуклеотидов РНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нуклеиновая кислота, в которой хранится основная наследственная информация клетки. Её молекула содержит инструкции, необходимые для развития и работы организма. Сохранность этой информации важна при передаче её дочерним клеткам.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — нуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации и синтезе белка. Разные виды РНК выполняют разные задачи в этом процессе. Благодаря им информация, записанная в ДНК, может быть использована для сборки белковой молекулы.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в длинную цепь: сахар одного нуклеотида связан с остатком фосфорной кислоты следующего. Азотистые основания при этом выступают как различающиеся элементы цепи. Порядок оснований называют первичной структурой нуклеиновой кислоты, потому что именно в нём записана последовательность информации.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Азотистые основания обращены внутрь и соединяются только определёнными парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью: каждое основание подходит к своему партнёру по строению и химическим свойствам.

Комплементарное устройство помогает ДНК точно копировать информацию при удвоении молекулы. Цепи разделяются, и каждая из них становится основой для построения новой цепи. К каждому основанию присоединяется комплементарное ему: напротив А появляется Т, а напротив Г — Ц. Поэтому исходная последовательность восстанавливается в каждой новой молекуле.

Нуклеотиды РНК отличаются от нуклеотидов ДНК двумя компонентами. В РНК сахаром служит рибоза вместо дезоксирибозы, а среди оснований есть урацил вместо тимина. Это различие полезно учитывать при сравнении молекул и записи последовательностей: в РНК используют обозначение У, а не Т.

В синтезе белка участвуют три основных вида РНК, и у каждого своя работа. Информационная РНК переносит сведения о последовательности белка к месту его сборки. Транспортная РНК доставляет туда нужные аминокислоты, а рибосомная входит в состав рибосом — структур, на которых собирается белок. Разделение задач помогает клетке согласованно использовать наследственную информацию.

Сравнение ДНК и РНК

Сначала сравните сахар и основания: эти признаки помогают быстро отличить нуклеотиды двух кислот. Затем обратите внимание на число цепей и клеточную роль. Формулировка «обычно» важна: она описывает характерное строение, а не требует считать исключения невозможными.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, из каких частей состоит один нуклеотид ДНК. Чтобы не пропустить компонент, вспомните общее устройство нуклеотида, а затем уточните, какой сахар входит именно в ДНК. Здесь нужно назвать состав одного звена, а не всей цепи.

1. У любого нуклеотида есть азотистое основание.
2. В его состав также входит пентоза; для ДНК это дезоксирибоза.
3. Третья часть — остаток фосфорной кислоты.

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

Задача 2. В одной цепи ДНК последовательность оснований — А–Г–Т–Ц. Запишите последовательность оснований комплементарной цепи. Решение удобно вести по одному основанию: так проще не перепутать порядок и пары. Важно записывать ответ напротив исходных букв, не меняя их расположения.

1. Напротив А поставьте Т, потому что аденин комплементарен тимину.
2. Напротив Г поставьте Ц, так как гуанин соединяется с цитозином.
3. Напротив Т поставьте А, а напротив Ц — Г.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Проверка: каждая буква в ответе образует правильную пару с основанием над ней.

Задача 3. Фрагмент двуцепочечной ДНК содержит 20% аденина. Определите долю остальных оснований. Поскольку цепи комплементарны, количество А соответствует количеству Т, а Г соответствует Ц. Все четыре основания вместе составляют 100%, поэтому сначала найдём долю тимина и только затем разделим оставшуюся часть.

1. А = 20%, значит, Т = 20%.
2. На Г и Ц остаётся 100% − 20% − 20% = 60%.
3. Г и Ц представлены поровну, поэтому 60% разделите на 2: каждое составляет 30%.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Проверка: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%.

Типичные ошибки

Называть нуклеотидом только азотистое основание — значит забывать ещё две его части. Так ошибаются, потому что основание заметнее всего связано с различиями в последовательности. Проверяйте себя вопросом: назвал ли я также пентозу и остаток фосфорной кислоты?

Пара аденин–гуанин неверна: в ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Путаница возникает, когда основания запоминают списком, но не связывают в пары. Для проверки выпишите две пары: А–Т и Г–Ц, а затем примените их к каждому основанию цепи.

Тимин не относится к основаниям РНК, а урацил не является основанием ДНК. Ошибка появляется из-за сходства наборов оснований двух кислот. Сверьте состав: в ДНК есть Т, в РНК его место занимает У; аденин, гуанин и цитозин есть в обеих.

Считать, что все виды РНК выполняют одну функцию, — значит не различать этапы синтеза белка. Их названия и роли легко смешать, если учить только общий факт об участии РНК. Проверьте себя по трём глаголам: информационная переносит сведения, транспортная доставляет аминокислоты, рибосомная входит в состав рибосом.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеиновых кислот полезны знания о строении атомов и молекул: химические связи помогают объяснить соединение нуклеотидов и взаимодействие оснований. Понятия мономера и полимера показывают, как из повторяющихся звеньев образуются длинные цепи. Эта тема понадобится при изучении генов и передачи наследственной информации, деления клеток и биосинтеза белка: во всех этих процессах важно, как информация хранится, копируется и используется.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
• Каждый нуклеотид включает азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты.
• ДНК обычно состоит из двух цепей, связанных по принципу комплементарности.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• В РНК вместо дезоксирибозы содержится рибоза, а вместо тимина — урацил.
• Информационная, транспортная и рибосомная РНК участвуют в синтезе белка.