§ 7. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из нуклеотидов и участвующие в хранении, передаче и реализации наследственной информации. Это общий класс молекул, к которому относятся ДНК и РНК. Поэтому термин помогает сразу связать строение молекулы с её ролью в клетке.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, включающий остаток фосфорной кислоты, пентозу и азотистое основание. Мономер — отдельная небольшая часть, из повторения которой строится полимер. От состава основания зависит, какую букву генетической последовательности будет «читать» клетка.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух комплементарных цепей и хранящая наследственную информацию. Слово «комплементарные» означает взаимодополняющие: каждому основанию одной цепи соответствует определённое основание другой. ДНК можно считать долговременным носителем программы жизнедеятельности клетки.

РНК — рибонуклеиновая кислота, обычно представленная одной цепью и участвующая в реализации наследственной информации. Она не только переносит сведения, но и помогает доставлять аминокислоты и работать рибосомам. Поэтому РНК связывает информацию ДНК с образованием белка.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь связями между сахаром одного нуклеотида и фосфатной группой следующего. Такое повторяющееся соединение создаёт прочный сахарофосфатный «каркас» молекулы. А основания выступают в роли переменной части, поэтому их порядок записывает наследственную информацию и образует первичную структуру нуклеиновой кислоты.

ДНК и РНК отличаются составом сахара и набором оснований, потому что выполняют разные задачи и имеют разную устойчивость. В ДНК находится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; у рибозы есть дополнительная кислородсодержащая группа, влияющая на свойства молекулы. В ДНК используется тимин, а в РНК его место занимает урацил, поэтому по составу можно различить эти кислоты.

Две цепи ДНК соединяются водородными связями между основаниями, поскольку их пространственная форма позволяет образовывать устойчивые пары. Аденин связывается с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое соответствие сохраняет одинаковую ширину двойной спирали и делает порядок одной цепи подсказкой для построения другой.

Комплементарность позволяет каждой цепи ДНК служить матрицей при копировании наследственной информации. Сначала цепи разделяются, а затем напротив каждого основания достраивается подходящий нуклеотид. В результате из одной молекулы образуются две, и в каждой сохраняется одна исходная цепь и появляется одна новая.

Разные виды РНК выполняют разные задачи, потому что клетке необходимо не только передать информацию, но и организовать её использование. Информационная РНК переносит сведения о строении белка, транспортная РНК доставляет к месту сборки аминокислоты, а рибосомная РНК входит в состав рибосом. Совместная работа этих молекул обеспечивает реализацию генетической информации.

Сравнение ДНК и РНК

Таблицу удобно использовать для быстрого сравнения двух нуклеиновых кислот по одинаковым признакам. Сначала обращайте внимание на сахар и основания, затем связывайте состав с числом цепей и функцией. Если нужно определить молекулу, сочетание дезоксирибозы и тимина указывает на ДНК, а рибозы и урацила — на РНК.

Разбор задач

Задача 1. Назовите три части нуклеотида и укажите, какой компонент различается у нуклеотидов с разными основаниями. Нужно перечислить состав одной структурной единицы и выделить изменяющуюся часть. Не следует называть нуклеотидом только основание.

1. Вспоминаем постоянные компоненты: остаток фосфорной кислоты и пентоза, то есть пятиуглеродный сахар.
2. Добавляем третий компонент — азотистое основание.
3. Сравниваем нуклеотиды: сахар и фосфатная группа входят в состав каждого, а основание может быть аденином, гуанином, цитозином и другим.

Ответ: нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, пентозы и азотистого основания. Различается азотистое основание.

Задача 2. Для цепи ДНК А–Г–Т–Ц запишите последовательность оснований комплементарной цепи. Здесь требуется не изменить порядок букв, а подобрать пару для каждого основания. Используем только правила А—Т и Г—Ц.

1. Напротив А записываем Т.
2. Напротив Г записываем Ц, напротив Т — А, напротив Ц — Г.
3. Сохраняем исходный порядок позиций и получаем Т–Ц–А–Г.

Ответ: Т–Ц–А–Г.

Задача 3. В фрагменте ДНК насчитывается 24 аденина и 16 гуанинов. Определите количество тиминов и цитозинов. Поскольку фрагмент двухцепочечный, каждое основание встречается вместе со своим комплементом в равном количестве.

1. Аденин образует пары с тимином, поэтому тиминов столько же: 24.
2. Гуанин образует пары с цитозином, поэтому цитозинов столько же: 16.
3. Проверяем результат по правилам Чаргаффа: количество А равно Т, а количество Г равно Ц.

Ответ: тиминов — 24, цитозинов — 16.

Типичные ошибки

Нуклеотид путают с азотистым основанием. Ошибка возникает, когда запоминают только буквы А, Г, Ц и Т и забывают о строении молекулы. Проверка проста: в полном составе должны быть фосфат, сахар и основание.

Путают сахар ДНК и РНК. Названия похожи, поэтому легко приписать рибозу ДНК или дезоксирибозу РНК. Для самопроверки свяжите пару: ДНК — дезоксирибоза и тимин, РНК — рибоза и урацил.

Записывают неверные пары оснований. Иногда основания соединяют по соседству в алфавитном порядке, например А—Ц или Г—Т. Проверьте цепь заменами А↔Т и Г↔Ц; других пар в обычной двухцепочечной ДНК нет.

Считают, что вся РНК выполняет одну функцию. Такое упрощение появляется, если запомнить только её участие в синтезе белка. Уточняйте вид молекулы: информационная переносит сведения, транспортная приносит аминокислоты, рибосомная входит в состав рибосом.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеотида нужны представления об углеводах, фосфатной группе и азотистых основаниях. Эти вещества образуют его части, поэтому знание их строения помогает объяснить свойства всей молекулы. Особенно полезно различать рибозу и дезоксирибозу.

Нуклеиновые кислоты связаны с генами и хромосомами: гены являются участками ДНК, а хромосомы — структурами, в которых ДНК организована вместе с белками. Так строение молекулы связывается с хранением наследственных признаков. Передача ДНК объясняет преемственность информации при делении клеток.

Эта тема понадобится при изучении репликации, синтеза белка и наследственности. Правила комплементарности помогают понять копирование ДНК, а виды РНК — последовательность событий при образовании белка. Позже эти знания используются для объяснения мутаций и передачи признаков.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид включает сахар, фосфатную группу и азотистое основание.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В ДНК вместо урацила находится тимин.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Информационная, транспортная и рибосомная РНК выполняют разные функции.