§ 5. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, то есть крупные молекулы из повторяющихся звеньев, нуклеотидов. Они хранят наследственную информацию и обеспечивают её передачу при делении клеток и от родителей потомству. Благодаря этой информации клетки могут сохранять свои особенности и выполнять необходимые процессы.

Нуклеотид — мономер, или отдельное звено, нуклеиновой кислоты. В него входят азотистое основание, пентоза и остаток фосфорной кислоты. Пентоза — сахар с пятью атомами углерода; различие этого сахара и оснований помогает отличать виды нуклеиновых кислот.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, которая хранит наследственную информацию клетки. Её молекула обычно состоит из двух цепей, связанных друг с другом. Такое строение важно для точного копирования информации, когда клетка готовится к делению.

РНК — рибонуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации, записанной в ДНК. Обычно молекула РНК состоит из одной цепи, хотя она может складываться в определённую форму. Разные виды РНК выполняют разные задачи, в том числе участвуют в синтезе белка.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в длинные цепи: сахар одного звена связан с остатком фосфорной кислоты следующего. Так возникает прочная основа молекулы, к которой обращены азотистые основания. Порядок оснований различается, поэтому именно он служит записью информации, а не просто длина цепи.

Сахар и набор оснований помогают отличить ДНК от РНК. В ДНК содержится дезоксирибоза и основания аденин, тимин, гуанин и цитозин; в РНК вместо дезоксирибозы находится рибоза, а тимин заменён урацилом. Урацил занимает в РНК место, которое в ДНК соответствует тимину, поэтому правило парности для РНК учитывает это отличие.

Две цепи ДНК направлены противоположно и соединяются основаниями попарно. Аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином; такие соответствия называют комплементарностью. Подходящие друг к другу пары удерживают цепи вместе и не позволяют произвольно сочетать основания.

Комплементарность помогает копировать ДНК. Если цепи разъединяются, последовательность оснований каждой из них подсказывает, какие нуклеотиды нужно присоединить для построения новой цепи. Поэтому по одной исходной цепи можно восстановить её пару и получить копию молекулы с той же наследственной информацией.

ДНК и РНК различаются строением, потому что выполняют неодинаковые задачи. ДНК преимущественно служит долговременным хранилищем информации, а разные виды РНК помогают клетке использовать её для синтеза белка. Одноцепочечная РНК может принимать разные формы, что позволяет ей выполнять несколько функций.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте молекулы сразу по нескольким признакам: один признак сам по себе не описывает всю разницу. Таблица помогает быстро вспомнить, какой сахар и какие основания входят в каждую молекулу. При решении задач о последовательностях особенно полезны сведения о комплементарности ДНК.

Разбор задач

Задача 1. В цепи ДНК последовательность оснований А–Г–Т–Ц. Запишите последовательность комплементарной цепи. Нужно подобрать к каждому основанию его пару, сохранив порядок позиций. Сначала определим соответствие для каждого символа.

1. Аденину соответствует тимин: А → Т.
2. Гуанину соответствует цитозин: Г → Ц.
3. Тимину соответствует аденин, а цитозину — гуанин: Т → А, Ц → Г.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Проверка простая: в каждой позиции пары получаются А—Т или Г—Ц. Если переставить основания местами, последовательность второй цепи будет записана неверно.

Задача 2. В молекуле ДНК аденин составляет 18% всех нуклеотидов. Определите долю тимина, гуанина и цитозина. Сначала применим правило парности, а затем проверим, что сумма долей равна 100%. Это позволяет убедиться, что использованы все основания.

1. Аденин комплементарен тимину, поэтому тимина тоже 18%.
2. Вместе аденин и тимин составляют 18% + 18% = 36%.
3. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 36% = 64%; их доли равны, значит, каждому достаётся 32%.

Ответ: тимин — 18%, гуанин — 32%, цитозин — 32%. Проверка: 18% + 18% + 32% + 32% = 100%. Равенство долей Г и Ц следует из того, что каждому гуанину в двуцепочечной ДНК соответствует цитозин.

Задача 3. В двуцепочечном фрагменте ДНК 600 нуклеотидов, из них 120 — аденин. Определите число нуклеотидов каждого типа и число пар оснований. Считать нужно нуклеотиды обеих цепей вместе. После нахождения парных оснований оставшееся количество делим поровну между гуанином и цитозином.

1. Число тиминов равно числу аденинов: Т = 120.
2. На А и Т приходится 120 + 120 = 240 нуклеотидов; остаётся 600 − 240 = 360.
3. Гуанина и цитозина поровну: Г = 180, Ц = 180. В одной паре два нуклеотида, поэтому число пар равно 600 ÷ 2 = 300.

Ответ: А — 120, Т — 120, Г — 180, Ц — 180; всего 300 пар оснований. Проверка: сумма чисел нуклеотидов равна 600. Число пар вдвое меньше общего числа нуклеотидов, потому что каждая пара включает по одному основанию из каждой цепи.

Типичные ошибки

Нуклеотид иногда принимают только за азотистое основание. Так происходит потому, что именно основания часто записывают буквами в последовательности ДНК. Проверяйте себя: полный нуклеотид включает ещё сахар и остаток фосфорной кислоты.

Можно перепутать сахара или основания ДНК и РНК. Названия похожи, а обе молекулы содержат несколько общих оснований. Для проверки запомните пары отличий: ДНК — дезоксирибоза и тимин, РНК — рибоза и урацил.

Ошибочное сочетание оснований, например А—Г или Т—Ц, возникает, если подбирать пары наугад. В ДНК соответствия не произвольны: аденин соединяется с тимином, гуанин — с цитозином. Перед ответом проверьте каждую пару по этим двум правилам.

Ещё одна ошибка — считать, что обе цепи ДНК имеют одинаковую последовательность. Их легко спутать, потому что они находятся рядом, но основания в них не повторяются, а дополняют друг друга. Сверьте каждую позицию: напротив А должен быть Т, напротив Г — Ц, и наоборот.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что клетка содержит наследственную информацию, а биополимеры состоят из повторяющихся звеньев. Эти знания помогают увидеть связь между отдельным нуклеотидом и длинной молекулой, несущей информацию. Если помнить, из чего складывается биополимер, проще объяснить строение ДНК и РНК.

Строение нуклеиновых кислот понадобится при изучении генов и передачи наследственной информации. Оно также связано с синтезом белка и делением клеток: клетке нужно использовать записанную информацию и точно копировать её перед делением. Поэтому понимание комплементарности помогает разбирать последующие темы генетики.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — полимеры из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид включает сахар, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В РНК вместо тимина находится урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, РНК участвует в её реализации.