3.2.4. Биологические полимеры — нуклеиновые кислоты 

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биологические полимеры, хранящие и передающие наследственную информацию; к ним относятся ДНК и РНК. Полимер состоит из повторяющихся звеньев, поэтому его свойства зависят и от состава звеньев, и от их порядка. ДНК хранит информацию, а РНК помогает использовать её в клетке.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, состоящий из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Мономер — отдельное звено, из которого собирается полимер. Различие сахаров и оснований позволяет отличать нуклеотиды ДНК от нуклеотидов РНК.

Полинуклеотидная цепь — последовательность нуклеотидов, соединённых ковалентными связями между сахаром одного нуклеотида и фосфатом следующего. Ковалентные связи прочно удерживают звенья вместе и формируют основу цепи. Так можно представить, как отдельные мономеры образуют длинную молекулу.

Комплементарность — соответствие азотистых оснований в паре: аденин соединяется с тимином в ДНК или урацилом в РНК, гуанин — с цитозином. Это правило позволяет определить партнёра для каждого основания. Благодаря ему информация одной цепи помогает восстановить последовательность другой.

Как это устроено

В каждом нуклеотиде есть сахар, фосфатный остаток и азотистое основание, но состав сахара зависит от вида кислоты. В ДНК входит дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; небольшое химическое различие влияет на свойства молекул. Аденин, гуанин и цитозин встречаются в обеих кислотах, тогда как тимин характерен для ДНК, а урацил — для РНК. Поэтому сочетание сахара и оснований помогает определить, с какой нуклеиновой кислотой мы имеем дело.

Нуклеотиды соединяются фосфодиэфирными связями: фосфат связывает сахара соседних звеньев. Такие связи создают устойчивую цепь, но не стирают различия между основаниями. Основания выступают как буквы длинной записи, а их порядок и есть последовательность. Если изменить порядок нуклеотидов, изменится и записанная в цепи информация.

Молекула ДНК обычно состоит из двух антипараллельных цепей, то есть направленных противоположно друг другу. Комплементарные основания соединяются водородными связями: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Каждое основание может образовать пару только с подходящим партнёром, поэтому последовательность одной цепи задаёт последовательность второй. Две цепи вместе образуют устойчивую структуру, а слабее ковалентных связей водородные связи можно разделить при копировании молекулы.

РНК обычно представлена одной цепью, потому что её задачи и устройство отличаются от ДНК. Участки одной молекулы РНК могут взаимодействовать друг с другом, поэтому цепь способна складываться в определённую форму. Разные типы РНК выполняют разные функции: информационная переносит сведения о строении белка, а транспортная доставляет компоненты, участвующие в его синтезе. Такое разнообразие строения помогает РНК выполнять несколько ролей в клетке.

Комплементарное связывание оснований делает возможным точное копирование ДНК: при разделении цепей к каждой из них подбираются подходящие нуклеотиды. В результате исходная цепь служит образцом для новой. Тот же принцип позволяет использовать последовательность ДНК как основу для синтеза РНК: напротив каждого основания подбирается комплементарное. Так информация может сохраняться при копировании и передаваться для дальнейшего использования.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте молекулы по нескольким признакам: одному различию может соответствовать сразу несколько особенностей строения. Например, для определения ДНК или РНК удобно сначала проверить сахар и наличие тимина или урацила. Строка о числе цепей описывает обычный вариант, а не исключение для каждой возможной молекулы.

Разбор задач

Задача 1. В фрагменте ДНК аденин составляет 20% нуклеотидов. Определите долю тимина, гуанина и цитозина. Поскольку дана ДНК с комплементарными цепями, доля аденина равна доле тимина, а доли гуанина и цитозина также равны. Все четыре доли вместе составляют 100%.

1. По правилу комплементарности доля тимина равна доле аденина: Т = 20%.
2. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 20% − 20% = 60%.
3. Так как Г = Ц, делим остаток поровну: 60% ÷ 2 = 30% на каждое основание.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Проверка: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%, а доли комплементарных пар совпадают.

Задача 2. Одна цепь ДНК имеет последовательность А–Г–Т–Ц–Ц–А. Запишите последовательность комплементарной цепи. Для решения нужно пройти по исходной цепи слева направо и подобрать пару для каждого основания. Важно сохранить порядок позиций: не переставлять буквы, а заменить каждую на её партнёра.

1. Для первого основания А подбираем Т.
2. Для следующих оснований Г, Т и Ц подбираем соответственно Ц, А и Г.
3. Для второго Ц подбираем Г, а для последнего А — Т; получаем Ц–А–Г–Г–Т.

Ответ: комплементарная цепь — Т–Ц–А–Г–Г–Т. Проверка попарная: А—Т, Г—Ц, Т—А, Ц—Г, Ц—Г, А—Т. В каждой позиции основания соответствуют правилу комплементарности.

Задача 3. В молекуле ДНК 120 пар нуклеотидов. Рассчитайте её длину, если расстояние между соседними парами оснований равно 0,34 нм. Длину определяем вдоль молекулы, поэтому учитываем промежуток между соседними парами, а не складываем число нуклеотидов двух цепей. В условии уже дано число пар.

1. Записываем число пар: 120.
2. Умножаем его на расстояние между соседними парами: 120 × 0,34 нм.
3. Выполняем вычисление: 120 × 0,34 = 40,8 нм.

Ответ: длина молекулы составляет 40,8 нм. Если бы в условии было дано число отдельных нуклеотидов двух цепей, его сначала пришлось бы разделить на два, чтобы получить число пар.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что нуклеотид состоит только из азотистого основания. Её допускают, когда мысленно отождествляют нуклеотид с его наиболее заметной частью, но в состав также входят сахар и фосфатный остаток. Для проверки перечислите все три составляющие: основание, сахар, фосфат.

Ошибка — путать тимин и урацил или считать, что они одновременно входят в обычный состав одной и той же кислоты. Обычно тимин характерен для ДНК, а в РНК его место занимает урацил. Если сомневаетесь, сверьте сахар: дезоксирибоза и тимин указывают на ДНК, рибоза и урацил — на РНК.

Ошибка — полагать, что любая нуклеиновая кислота обязательно состоит из двух цепей. Такую мысль часто переносят со строения ДНК на РНК, хотя РНК обычно одноцепочечна. Проверяйте, о какой молекуле идёт речь: для ДНК типичны две цепи, для РНК — одна.

Ошибка — считать, что доля каждого основания в ДНК всегда равна 25%. Равными являются доли комплементарных оснований: А = Т и Г = Ц, а соотношение А и Г может быть разным. Проверка проста: используйте равенства внутри пар и убедитесь, что общая доля всех четырёх оснований составляет 100%, не распределяя её поровну без оснований.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в нуклеиновых кислотах, нужно знать состав органических веществ клетки и различать мономеры и полимеры. Представление о нуклеотиде и комплементарности понадобится при изучении удвоения ДНК и передачи наследственной информации. Разные типы РНК связывают эту тему с биосинтезом белка: они помогают понять, как клетка использует генетическую информацию.

Что запомнить

• ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты, построенные из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид включает азотистое основание, сахар и фосфатный остаток.
• В ДНК содержится дезоксирибоза и основание тимин.
• В РНК содержится рибоза и основание урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Последовательность нуклеотидов несёт наследственную информацию.