§ 6. Белки и нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Белок — биологический полимер, то есть крупная молекула, собранная из повторяющихся звеньев-аминокислот. Свойства белка зависят от того, в каком порядке эти звенья расположены: даже небольшое изменение последовательности может изменить форму и работу всей молекулы. Поэтому белок нельзя определить только по его составу — важно учитывать порядок аминокислот.

Аминокислота — органическое соединение, из остатков которого построены белки. У всех аминокислот есть общая часть, благодаря которой они могут соединяться друг с другом, и боковая группа, различающаяся у разных аминокислот. Эта особенность позволяет клетке строить белки с разными свойствами и функциями.

Нуклеиновая кислота — биологический полимер, состоящий из нуклеотидов и хранящий или передающий наследственную информацию. К нуклеиновым кислотам относятся ДНК и РНК, работающие в клетке не одинаково. Их роль связана с тем, что последовательность нуклеотидов содержит информацию.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновых кислот. В его состав входят сахар, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание. Сахар и основание могут различаться, поэтому по составу нуклеотидов можно отличить ДНК от РНК и понять, какие основания участвуют в построении цепи.

Как это устроено

Аминокислоты соединяются друг с другом пептидными связями, образуя длинную цепь. Пептидная связь возникает между соседними аминокислотами и удерживает их в определённом порядке. Именно последовательность звеньев называют первичной структурой белка; она важна, потому что задаёт основу для дальнейшего сворачивания молекулы.

Белковая цепь сворачивается и приобретает пространственную форму. Сворачивание происходит благодаря взаимодействиям между частями молекулы, а результатом становится форма, подходящая для определённой функции. Например, если белок должен соединяться с другой молекулой, его форма помогает такому взаимодействию. Нагревание или резкое изменение среды способно нарушить эту форму — происходит денатурация, и белок может утратить способность работать.

Разные белки выполняют разные задачи, потому что их строение подходит для разных видов работы. Коллаген служит строительным материалом тканей, ферменты ускоряют химические реакции, а гемоглобин переносит кислород в крови. Антитела участвуют в защите организма от чужеродных веществ, а белки мышечных волокон обеспечивают движение. Эти примеры показывают, что функция связана не просто с наличием белка, а с его особенностями.

Нуклеотиды в цепи соединяются так, что сахар и остаток фосфорной кислоты образуют её основу, а азотистые основания обращены наружу. В нуклеотидах ДНК находится сахар дезоксирибоза, а в нуклеотидах РНК — рибоза. В ДНК встречаются основания аденин, тимин, гуанин и цитозин; в РНК вместо тимина есть урацил. Различие сахаров и одного из оснований помогает распознавать эти две молекулы.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, соединённых парами оснований. Аденин одной цепи соответствует тимину другой, а гуанин — цитозину: это правило называют комплементарностью. Благодаря такому соответствию последовательность одной цепи задаёт последовательность второй. РНК обычно образована одной цепью и содержит урацил вместо тимина, поэтому при записи её последовательности используют букву У, а не Т.

Сравнение белков, ДНК и РНК

Сначала сравните структурные единицы: это самый быстрый способ не перепутать белки и нуклеиновые кислоты. Затем обратите внимание на сахар и основания, чтобы различить ДНК и РНК. Последние строки помогают связать строение молекул с их ролью в клетке.

Разбор задач

Задача 1. Назовите структурные единицы белка и тип связи, соединяющей их в цепь. Чтобы ответить, нужно определить, из каких звеньев построен белок, а затем вспомнить название связи между соседними звеньями. Не следует смешивать эти звенья с нуклеотидами: нуклеотиды образуют ДНК и РНК.

1. Вспоминаем, что белки построены из аминокислот.
2. Определяем, что аминокислоты в цепи соединены пептидными связями.
3. Проверяем, что в вопросе спрашивают и единицы, и связь между ними.

Ответ: структурные единицы белка — аминокислоты, их соединяет пептидная связь.

Задача 2. В одной цепи ДНК последовательность оснований — АГЦТ. Определите последовательность комплементарной цепи. Здесь не нужно менять порядок исходных букв: для каждого основания подбираем партнёра по правилу комплементарности. А соединяется с Т, а Г — с Ц.

1. Записываем исходную последовательность: А—Г—Ц—Т.
2. Под каждым основанием ставим соответствующее ему: напротив А — Т, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г, напротив Т — А.
3. Читаем основания второй цепи в том же порядке: ТЦГА.

Ответ: ТЦГА. Проверка проста: каждая буква исходной цепи образует правильную пару с буквой напротив.

Задача 3. В фрагменте ДНК 20% оснований составляют аденин. Определите долю тимина, гуанина и цитозина. Поскольку в двухцепочечной ДНК А соединяется с Т, их доли равны. На гуанин и цитозин остаётся та часть от общего количества оснований, которая не приходится на А и Т.

1. Доля аденина равна 20%, значит, доля тимина тоже 20%.
2. Складываем доли А и Т: 20% + 20% = 40%.
3. Вычитаем их из 100%: 100% − 40% = 60%. Эта доля поровну приходится на Г и Ц, потому что они комплементарны и встречаются в равных долях.
4. Делим остаток пополам: 60% : 2 = 30%.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Перед записью результата проверьте сумму: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что белок состоит из нуклеотидов. Это путают потому, что белки и нуклеиновые кислоты — крупные молекулы клетки, построенные из повторяющихся единиц. Проверка: спросите себя, какую молекулу разбираете — аминокислоты образуют белки, а нуклеотиды входят в состав ДНК и РНК.

Ошибка: отождествлять последовательность аминокислот с пространственной формой белка. Последовательность — это первичная структура, а сворачивание цепи создаёт более сложную форму. Путаница возникает, когда оба понятия называют просто «строением». Проверьте себя: порядок звеньев и итоговая форма — связанные, но не одинаковые вещи.

Ошибка: считать, что в ДНК аденин соединяется с гуанином. Иногда пары путают, пытаясь запомнить сразу четыре основания. Проверяйте каждую букву по двум парам: А—Т и Г—Ц. Если в ответе указана пара А—Г, правило комплементарности нарушено.

Ошибка: приписывать РНК тимин. Это происходит потому, что при сравнении с ДНК вспоминают общие основания и пропускают одно отличие. Для проверки назовите набор оснований: в ДНК есть тимин, а в РНК на его месте урацил. Значит, последовательность РНК записывают с У, не с Т.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что клетка состоит из разных органических веществ и что некоторые из них построены из повторяющихся структурных единиц. Это помогает сравнить аминокислоты и нуклеотиды, не смешивая их. Знание о строении клетки также объясняет, почему белки, ДНК и РНК находятся в ней и выполняют разные роли.

Тема связана с клеточным строением: белки входят в состав клеточных структур, а ДНК и РНК участвуют в работе клетки. Позже эти знания помогут разобраться в наследственности, синтезе белка и передаче генетической информации. Правило комплементарности особенно пригодится при решении задач о строении ДНК.

Что запомнить

• Белки построены из аминокислот.
• Аминокислоты в белковой цепи соединены пептидными связями.
• Строение белка связано с его функцией.
• ДНК и РНК построены из нуклеотидов.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.