§13. Нуклеиновые кислоты. ДНК

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — полимеры из нуклеотидов, которые хранят, передают и помогают реализовать наследственную информацию. Проще говоря, они сохраняют биологические инструкции клетки и организма и позволяют передавать их при делении клеток и размножении. К нуклеиновым кислотам относятся ДНК и РНК, но их строение и задачи различаются.

Нуклеотид — мономер, то есть повторяющаяся структурная единица нуклеиновой кислоты. Он состоит из азотистого основания, пентозы — сахара с пятью атомами углерода — и остатка фосфорной кислоты. Различия между нуклеотидами позволяют молекуле образовать последовательность, в которой записывается информация.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нуклеиновая кислота, в состав нуклеотидов которой входит сахар дезоксирибоза. ДНК хранит наследственную информацию клетки и организма. Это определение помогает отличать ДНК от РНК, в нуклеотидах которой содержится другой сахар — рибоза.

Комплементарность — закономерное соответствие азотистых оснований двух цепей ДНК: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Поэтому последовательность одной цепи позволяет установить последовательность второй. Это свойство необходимо для точного копирования ДНК.

Как это устроено

Нуклеотиды различаются азотистым основанием и сахаром. В ДНК каждый нуклеотид включает дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты и одно из четырёх оснований: аденин, тимин, гуанин или цитозин. В РНК сахаром служит рибоза, а вместо тимина обычно входит урацил; различие в составе помогает отличать эти молекулы и связано с их разными задачами в клетке.

Нуклеотиды соединяются друг с другом через сахар и остаток фосфорной кислоты: фосфат одного звена связывает сахара соседних звеньев. Так возникает повторяющийся сахарофосфатный остов, который образует основу цепи. Азотистые основания выступают от него в сторону, чтобы основания двух цепей могли взаимодействовать друг с другом.

Обычно ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Они антипараллельны: если одна цепь направлена от конца 5′ к концу 3′, другая идёт от 3′ к 5′. Между основаниями цепей образуются водородные связи: они удерживают спираль вместе, но достаточно слабы, чтобы цепи можно было разъединить при копировании ДНК.

Основания соединяются не произвольно, а парами: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. Эти пары имеют подходящую форму, поэтому соответствие оснований сохраняет постоянную ширину двойной спирали. Комплементарность также означает, что последовательность одной цепи заранее определяет последовательность другой.

Порядок нуклеотидов в ДНК служит записью наследственной информации: важна не только последовательность букв, но и то, как клетка использует её при работе генов. Когда ДНК удваивается перед делением клетки, цепи расходятся, и каждая становится матрицей для новой цепи. Подбор оснований по принципу комплементарности помогает получить копии с той же последовательностью и передать информацию дочерним клеткам.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте молекулы по нескольким признакам сразу: сахар и набор оснований помогают различить нуклеотиды, а число цепей — типичное строение молекул. В таблице указаны общие для школьного курса особенности: у РНК встречаются разные формы и функции. Поэтому слова «обычно» и «типичная» не означают, что исключений не бывает.

Разбор задач

Задача 1. В одной цепи ДНК 18% аденина и 32% гуанина. Нужно определить доли тимина и цитозина именно в этой цепи. Здесь известен состав только одной цепи, поэтому сначала следует проверить, можно ли применить правило равенства долей оснований.

1. Правило А = Т и Г = Ц относится к целой двуцепочечной молекуле, а не к одной цепи отдельно.
2. В одной цепи известны только доли А и Г. Оставшиеся 50% вместе приходятся на Т и Ц, но их соотношение не задано.
3. Например, возможны разные распределения этих 50% между Т и Ц, и каждое будет согласовано с приведёнными данными.

Ответ: однозначно определить доли тимина и цитозина нельзя; можно установить только, что вместе они составляют 50%.

Задача 2. В двуцепочечной молекуле ДНК аденин составляет 24% всех нуклеотидов. Найдём доли остальных оснований. Поскольку рассматривается вся двуцепочечная молекула, можно использовать правила Чаргаффа: доли А и Т равны, как и доли Г и Ц.

1. А = 24%, следовательно, Т = 24%.
2. На А и Т вместе приходится 24% + 24% = 48% всех нуклеотидов.
3. Остаток составляет 100% − 48% = 52%. Он поровну распределён между Г и Ц: 52% ÷ 2 = 26%.

Ответ: тимин — 24%, гуанин — 26%, цитозин — 26%.

Задача 3. Одна цепь ДНК записана как 5′-АЦГТТА-3′. Запишем комплементарную цепь с направлением и определим число водородных связей между цепями. Важно подобрать пару к каждому основанию и расположить цепи антипараллельно.

1. Для А напротив ставим Т, для Ц — Г, для Г — Ц, для Т — А. Поэтому второй ряд оснований напротив записанной цепи: ТГЦААТ.
2. Направление второй цепи противоположно: 3′-ТГЦААТ-5′. В последовательности три пары А–Т и три пары Г–Ц.
3. Каждая пара А–Т образует две водородные связи, а каждая пара Г–Ц — три. Считаем: 3 × 2 + 3 × 3 = 15.

Ответ: 3′-ТГЦААТ-5′; между цепями 15 водородных связей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что ДНК всегда одноцепочечная. Иногда ученики переносят на ДНК общее представление о цепи нуклеотидов и забывают про типичную двойную спираль. Проверяйте, идёт ли речь об обычной молекуле ДНК: у неё две цепи, хотя в природе существуют исключения.

Ошибка — называть комплементарные цепи одинаковыми. Их путают, потому что обе содержат те же виды оснований, но напротив А находится Т, а напротив Г — Ц. Для проверки составьте пары по каждому положению: если напротив основания стоит оно само, последовательность подобрана неверно.

Ошибка — использовать равенства А = Т и Г = Ц для произвольно взятой одной цепи. Так делают, перенося закономерность целой двуцепочечной молекулы на её часть. Проверяйте условие: если состав дан для одной цепи, соотношения Чаргаффа не позволяют найти доли её оснований по отдельности.

Ошибка — считать, что все пары оснований удерживаются одинаковым числом водородных связей. Часто запоминают только само правило спаривания и не учитывают различие пар. При расчёте отдельно считайте А–Т по две связи, Г–Ц по три, а затем складывайте результаты.

Связь с другими темами

Для понимания ДНК нужны знания о строении органических веществ и полимеров, а также понятия мономера и химической связи. Полезно представлять и устройство клетки: ДНК хранит информацию в клеточной системе, а не существует отдельно от её процессов. Эти основы помогают объяснить, как из нуклеотидов собирается длинная молекула.

ДНК связана с репликацией — её удвоением, а также с биосинтезом белка, наследственностью и изменчивостью. При копировании комплементарность помогает передать последовательность, а при реализации информации клетка использует её для работы генов. Поэтому строение молекулы объясняет сразу несколько важных процессов.

Тема имеет прямое отношение к генетическому коду и медицинской генетике. Изменение последовательности ДНК может изменить работу гена и повлиять на развитие организма. Некоторые такие изменения связаны с наследственными заболеваниями, поэтому изучение ДНК важно для понимания их причин и диагностики.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
• Нуклеотид ДНК включает дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты и азотистое основание.
• В ДНК используются основания аденин, тимин, гуанин и цитозин.
• Две цепи ДНК комплементарны и расположены антипараллельно.
• Аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином.
• Последовательность нуклеотидов служит записью наследственной информации.