§14. Нуклеиновые кислоты. РНК

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. Биополимер — крупная молекула, построенная из повторяющихся звеньев. К нуклеиновым кислотам относятся ДНК и РНК. Их цепи позволяют сохранять и передавать биологическую информацию.

Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — сахар с пятью атомами углерода, а азотистое основание — часть молекулы, различающая виды нуклеотидов. Остаток фосфорной кислоты помогает связывать звенья в цепь. Такое строение важно, потому что основания образуют последовательность, несущую информацию.

РНК, или рибонуклеиновая кислота, обычно представляет собой одну полинуклеотидную цепь. В её нуклеотидах содержится сахар рибоза и одно из четырёх оснований, включая урацил. Такая цепь может выполнять разные задачи в клетке. В частности, РНК участвует в передаче информации и синтезе белка.

Рибонуклеотиды — нуклеотиды, входящие в состав РНК. От дезоксирибонуклеотидов ДНК они отличаются сахаром: в первых находится рибоза, во вторых — дезоксирибоза. Также в типичном составе РНК есть урацил, а в ДНК — тимин. Это различие помогает определить, к какой нуклеиновой кислоте относится молекула.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинную цепь, потому что остаток фосфорной кислоты одного звена связывается с сахаром соседнего. Так образуется сахарофосфатный остов — повторяющаяся часть цепи, к которой прикреплены основания. Остов сохраняет целостность молекулы, а основания могут различаться и располагаться в разном порядке. Именно поэтому цепи с одинаковым остовом способны нести разную информацию.

РНК и ДНК похожи тем, что в обеих есть аденин, гуанин и цитозин, но отличаются сахаром и одним из оснований. В РНК находится рибоза и урацил, а в ДНК — дезоксирибоза и тимин. Урацил занимает в РНК место тимина, поэтому при записи комплементарной РНК напротив аденина ДНК ставят урацил. Состав молекулы связан с её принадлежностью к одному из двух видов нуклеиновых кислот.

Первичная структура РНК — это порядок нуклеотидов в цепи. Она задаёт последовательность оснований, а значит, и информацию, которую молекула может передавать или использовать. Хотя РНК обычно одноцепочечна, её участки иногда складываются рядом. Если основания на этих участках комплементарны, они образуют пары и формируют вторичную структуру.

Матричная, или информационная, РНК (мРНК, или иРНК) переносит информацию о последовательности белка от ДНК к рибосомам. Информация записана в порядке нуклеотидов, а при синтезе белка считывается группами по три — кодонами. Такая передача нужна, чтобы сведения из ДНК могли быть использованы при сборке белковой молекулы. Сама мРНК служит матрицей, то есть образцом для считывания этой последовательности.

Транспортная РНК (тРНК) доставляет к месту синтеза белка аминокислоты — его строительные звенья. Она распознаёт кодон мРНК с помощью комплементарного участка и приносит соответствующую аминокислоту. Рибосомная РНК (рРНК) входит в состав рибосом вместе с белками. Она участвует в работе этих клеточных структур, где аминокислоты соединяются в белковую цепь.

Сравнение основных видов РНК

Сначала сравните особенности строения, затем проследите, как каждая молекула включается в синтез белка. мРНК несёт последовательность, тРНК подбирает к ней аминокислоты, а рРНК работает в составе рибосомы. Вместе эти виды РНК выполняют разные, но согласованные задачи.

Разбор задач

Задача 1. В молекуле РНК насчитывается 30 адениновых, 22 гуаниновых, 18 цитозиновых и 30 урациловых нуклеотидов. Определите длину цепи в нуклеотидах. Нужно найти общее количество звеньев, поэтому складываем все приведённые количества. Правило равенства комплементарных оснований здесь не требуется.

1. Выпишем количества оснований: 30, 22, 18 и 30.
2. Сложим их: 30 + 22 + 18 + 30 = 100.
3. Полученное число показывает, сколько нуклеотидов входит в цепь.

Ответ: длина цепи — 100 нуклеотидов. Одноцепочечную РНК нельзя считать по правилу, которое связывает количество парных оснований в двойной спирали ДНК. Здесь известны все четыре количества, и их сумма сразу даёт длину.

Задача 2. Фрагмент матричной цепи ДНК имеет последовательность 3′-ТАЦГГА-5′. Запишите последовательность синтезированной РНК. Сначала сопоставим основания по комплементарности, затем проверим направление цепи. РНК строится антипараллельно матричной цепи, то есть её направление будет 5′→3′.

1. Запишем матричную цепь: 3′-Т А Ц Г Г А-5′.
2. Подберём основания РНК: напротив Т ставим А, напротив А — У, напротив Ц — Г, напротив Г — Ц, напротив Г — Ц, напротив А — У.
3. Укажем направление синтезированной цепи: 5′-А У Г Ц Ц У-3′.

Ответ: 5′-АУГЦЦУ-3′. Тимин матричной ДНК задаёт аденин в РНК, а напротив аденина ДНК в РНК записывается урацил. Направления важны: без учёта антипараллельности можно записать правильные пары в неверном порядке.

Задача 3. В молекуле мРНК 900 нуклеотидов. Сколько аминокислот может кодировать её участок, если он полностью состоит из кодирующих триплетов и не содержит стоп-кодона? Кодон — группа из трёх нуклеотидов, соответствующая одной аминокислоте. Значит, число аминокислот найдём делением длины кодирующего участка на три.

1. Определим число нуклеотидов: 900.
2. Разделим на число нуклеотидов в кодоне: 900 ÷ 3 = 300.
3. Стоп-кодона нет, поэтому вычитать кодирующий аминокислоту триплет не нужно.

Ответ: участок может кодировать 300 аминокислот. Условие о стоп-кодоне существенно: стоп-сигнал завершает синтез белка, но не задаёт аминокислоту. Если бы он входил в данный участок, число аминокислот было бы на одну меньше.

Типичные ошибки

Ошибка — считать РНК всегда строго одноцепочечной. Так думают, потому что обычно молекулу описывают как одну цепь, но комплементарные участки внутри неё могут спариваться и образовывать вторичную структуру. Проверяйте себя: различайте число цепей молекулы и участки, которые взаимодействуют внутри этой цепи. Спаривание отдельных участков не превращает всю РНК в постоянную двойную спираль.

Ошибка — приписывать РНК тимин, а ДНК урацил. Эти основания похожи, поэтому их легко перепутать, однако в типичном составе РНК урацил занимает место тимина. Для самопроверки перечислите основания: в РНК — А, Г, Ц, У; в ДНК — А, Г, Ц, Т. Обратите внимание также на разные сахара — рибозу и дезоксирибозу.

Ошибка — считать, что в любой РНК количество аденина равно количеству урацила. Такое ожидание возникает из правила комплементарности, но оно не обязано выполняться для одноцепочечной молекулы, где основания могут оставаться неспаренными. Перед применением правила выясните, полностью ли молекула двуцепочечна. Если нет, складывайте известные количества нуклеотидов, а не выводите одно из другого.

Ошибка — путать функции мРНК, тРНК и рРНК. Названия похожи, а все три молекулы работают при синтезе белка, поэтому роли могут смешиваться. Проверьте себя по последовательности действий: мРНК несёт информацию, тРНК доставляет аминокислоты, рРНК входит в рибосому и участвует в её работе. Если в ответе все три молекулы названы просто переносчиками информации, функции перепутаны.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в РНК, нужно знать строение нуклеотида, различия рибозы и дезоксирибозы и принцип комплементарности оснований. Эти знания помогают сравнивать ДНК и РНК, а также составлять цепь по матричной последовательности. Далее виды РНК понадобятся при изучении транскрипции — синтеза РНК на матрице ДНК, генетического кода и биосинтеза белка. Тогда станет понятнее, как информация в последовательности оснований приводит к сборке белка.

Что запомнить

• Мономеры нуклеиновых кислот — нуклеотиды.
• В состав РНК входят рибоза, фосфат и одно из четырёх оснований: аденин, гуанин, цитозин или урацил.
• В РНК урацил занимает место тимина.
• Последовательность нуклеотидов РНК несёт биологическую информацию.
• мРНК служит матрицей при синтезе белка.
• тРНК доставляет аминокислоты, а рРНК входит в состав рибосом.