§ 12. Химический состав организма: органические вещества (нуклеиновые кислоты и АТФ)

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот, то есть их повторяющаяся структурная единица. Он состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Из нуклеотидов строятся цепи ДНК и РНК, а порядок оснований в них имеет значение для клетки.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, которая хранит наследственную информацию. Её нуклеотид включает основание, сахар дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Благодаря ДНК клетка сохраняет сведения, необходимые для её устройства и работы.

РНК — рибонуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации. Её нуклеотиды содержат рибозу, а главные разновидности — информационная, транспортная и рибосомная РНК. Они помогают использовать сведения ДНК при создании белков.

АТФ — аденозинтрифосфат, универсальный переносчик энергии в клетке. В его состав входят азотистое основание аденин, сахар рибоза и три остатка фосфорной кислоты. АТФ передаёт энергию процессам, без которых клетка не может нормально работать.

Как это устроено

Нуклеотиды различаются сахаром и азотистым основанием. В ДНК находится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; у этих сахаров немного разное строение. Поэтому молекулы отличаются устойчивостью и выполняемыми задачами: ДНК подходит для длительного хранения сведений, а РНК — для их использования в клетке.

Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинные цепи — полинуклеотиды. Сахар и фосфат образуют основу цепи, а основания располагаются вдоль неё. Их порядок может меняться, поэтому последовательность оснований служит способом записать биологическую информацию, подобно тому как порядок букв меняет смысл слова.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, основания которых образуют определённые пары. Аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином; такое соответствие называют комплементарностью. Форма оснований позволяет им соединяться именно такими парами, поэтому последовательность одной цепи определяет последовательность другой. Это помогает точно копировать информацию при образовании новых молекул ДНК.

РНК обычно образована одной цепью и может выполнять разные задачи. Информационная РНК переносит сведения о белке к месту его сборки, потому что копирует нужный участок информации. Транспортная РНК доставляет аминокислоты — строительные части белков, а рибосомная РНК входит в состав рибосом, где происходит сборка. Разделение задач позволяет клетке организовать синтез белка.

В АТФ к аденину и рибозе присоединены три остатка фосфорной кислоты. При отщеплении конечного остатка фосфата энергия становится доступной для клеточного процесса. Она может использоваться, например, для движения веществ или работы клеточных структур. АТФ при этом не является постоянным запасом: она расходуется и вновь образуется в ходе обмена веществ.

Сравнение ДНК, РНК и АТФ

Сравнивайте сначала сахар и основания: они помогают отличить ДНК от РНК. Затем смотрите на строение и роль: АТФ переносит энергию, а не хранит наследственную информацию. Таблица показывает общие различия, а не все особенности каждой молекулы.

Разбор задач

Задача 1. В нуклеотиде ДНК обнаружены аденин и дезоксирибоза. Определите, какие ещё части входят в его состав и с каким основанием аденин образует пару.

1. Вспоминаем состав нуклеотида: азотистое основание, сахар и остаток фосфорной кислоты.
2. Аденин уже назван как основание, а дезоксирибоза — как сахар. Значит, третья часть — остаток фосфорной кислоты.
3. Для ДНК применяем правило комплементарности: аденин образует пару с тимином.

Ответ: в нуклеотид также входит остаток фосфорной кислоты; аденин комплементарен тимину.

Задача 2. В цепи ДНК дана последовательность А–Г–Т–Ц. Запишите основания комплементарной цепи.

1. Для каждого основания отдельно подбираем пару: А — Т, Г — Ц, Т — А, Ц — Г.
2. Записываем пары в том же порядке, что и исходную последовательность. Нельзя переставлять основания местами: нужно заменить каждое на его пару.

Ответ: Т–Ц–А–Г.

Задача 3. Фрагмент одной цепи ДНК содержит 20% аденина. Определите доли остальных оснований в фрагменте, считая, что он включает обе цепи.

1. Для целой двуцепочечной ДНК доля аденина равна доле тимина: А = Т. Значит, если А составляет 20%, то Т тоже составляет 20%.
2. Вместе аденин и тимин занимают 40%. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 40% = 60%.
3. Доли гуанина и цитозина равны: Г = Ц. Делим оставшиеся 60% поровну, получаем по 30%.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Такое вычисление применимо к фрагменту, включающему обе комплементарные цепи.

Типичные ошибки

Нуклеотид иногда путают с азотистым основанием. Основание — только одна из трёх частей нуклеотида, но его часто называют вместо всей структуры, потому что именно по основаниям различаются последовательности. Проверка простая: перечислите основание, сахар и остаток фосфорной кислоты.

Можно ошибочно считать, что в РНК есть урацил, но сахар остаётся дезоксирибозой. Так происходит, если запомнить замену тимина на урацил, но забыть о различии сахаров. Проверьте себя по паре: ДНК — дезоксирибоза и тимин, РНК — рибоза и урацил.

Ещё одна ошибка — поменять местами пары оснований. В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину; путаница возникает при заучивании четырёх букв без пар. Для проверки запишите две пары: А—Т и Г—Ц, а затем подставляйте их по одной букве.

АТФ иногда представляют как неизменный запас энергии клетки. На самом деле молекулы АТФ постоянно расходуются и образуются вновь, поэтому это переносчик энергии, а не долговременное хранилище. Проверяя ответ, спросите себя, описывает ли он непрерывное обновление АТФ в клеточном обмене.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужно знать строение клетки, роль ядра и рибосом, а также понимать, что белки состоят из аминокислот. Эти знания связывают хранение информации в ДНК с созданием белков при участии РНК. Позже они пригодятся при изучении наследственности, синтеза белка и деления клеток. АТФ связывает тему с обменом веществ, клеточным дыханием, фотосинтезом и работой мышц: во всех этих процессах клеткам нужно передавать энергию.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК сахар — дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В ДНК аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином.
• ДНК хранит наследственную информацию.
• Разные виды РНК участвуют в реализации наследственной информации и синтезе белка.
• АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных остатков.
• АТФ переносит энергию, необходимую для процессов жизнедеятельности клетки.