§ 10. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты в биосистемах

Определения и обозначения

Нуклеозид — это азотистое основание, соединённое с пентозой, то есть пятиуглеродным сахаром. Фосфатной группы в нуклеозиде нет. Это различие помогает не путать исходное соединение с более сложной структурной единицей нуклеиновой кислоты.

Нуклеотид — соединение азотистого основания, пентозы и одного или нескольких остатков фосфорной кислоты. Именно нуклеотиды соединяются между собой и образуют цепи ДНК и РНК. Поэтому нуклеотид можно считать их повторяющимся строительным элементом.

ДНК — нуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух комплементарных цепей и хранящая наследственную информацию. Комплементарность означает строгое соответствие оснований в противоположных цепях. Такое строение позволяет сохранять запись и получать её точные копии.

РНК — нуклеиновая кислота, обычно состоящая из одной цепи и участвующая в реализации наследственной информации. Разные виды РНК переносят сведения, входят в состав рибосом или помогают собирать белки. Поэтому РНК связывает информацию ДНК с конкретными процессами в клетке.

Как это устроено

Каждый нуклеотид включает три обязательные части: основание, пентозу и фосфатную группу. Если меняется основание, получаются разные варианты нуклеотидов, например с аденином или цитозином. Если меняется пентоза, различают нуклеотиды ДНК- и РНК-типа, а число фосфатных остатков влияет на свойства соединения и его участие в обмене энергии.

В ДНК пентозой служит дезоксирибоза, а основаниями являются аденин, гуанин, цитозин и тимин. В РНК содержится рибоза, а вместо тимина используется урацил. Такая замена связана с химическими особенностями молекул: урацил хорошо спаривается с аденином и подходит для обычно более кратковременной работы РНК.

Нуклеотиды соединяются в цепь фосфодиэфирными связями между сахаром одного звена и фосфатной группой другого. Благодаря этому у цепи появляется последовательный «скелет», к которому прикреплены основания. Порядок этих оснований называют первичной структурой нуклеиновой кислоты, и именно он записывает биологическую информацию.

В двух цепях ДНК основания соединяются не произвольно, а комплементарно: аденин — с тимином, гуанин — с цитозином. У каждой пары совпадает геометрия участков, способных образовывать водородные связи. Поэтому последовательность одной цепи однозначно задаёт последовательность другой: напротив А будет Т, а напротив Г — Ц.

ДНК приспособлена к долговременному хранению информации благодаря двойной цепи и устойчивому химическому составу. РНК чаще представлена одной цепью, поэтому может изгибаться и принимать разные формы, необходимые для работы. Одни виды РНК переносят информацию от ДНК, другие входят в состав рибосом, а третьи участвуют в доставке аминокислот при синтезе белка.

Сравнение ДНК и РНК

Таблицу удобно читать по строкам, сопоставляя один признак у двух молекул. По наличию дезоксирибозы и тимина можно отличить ДНК, а по рибозе и урацилу — РНК. Число цепей является полезным ориентиром, но не единственным критерием определения.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие компоненты входят в нуклеотид с аденином и рибозой. Нужно перечислить состав соединения и не перепутать его с нуклеозидом.

1. Нуклеотид всегда включает азотистое основание, пентозу и фосфатную группу.
2. В условии уже названы основание аденин и пентоза рибоза.
3. Добавляем обязательную третью часть — один или несколько остатков фосфорной кислоты.

Ответ: в соединение входят аденин, рибоза и фосфатная группа. Аденин вместе с рибозой без фосфата образовал бы нуклеозид.

Задача 2. Для фрагмента одной цепи ДНК А–Г–Т–Ц запишите последовательность комплементарной цепи. Требуется подобрать основание напротив каждого символа, сохранив порядок участков.

1. Напротив А ставим Т, потому что это комплементарная пара.
2. Напротив Г ставим Ц, затем напротив Т — А.
3. Последним к Ц подбираем Г и соединяем результаты в одну последовательность.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Такая цепь соответствует исходной по каждому положению: А—Т и Г—Ц.

Задача 3. В молекуле нуклеиновой кислоты обнаружены рибоза и урацил. Определите тип кислоты и объясните вывод по составу.

1. Сравниваем найденные компоненты с характерными признаками двух кислот.
2. Рибоза входит в состав РНК, а урацил заменяет в ней тимин.
3. Оба признака указывают на один и тот же тип молекулы, поэтому дополнительное определение по числу цепей не требуется.

Ответ: это РНК. Вывод основан на наличии рибозы и урацила — характерных компонентов РНК.

Типичные ошибки

Нуклеозид называют нуклеотидом. Ошибка возникает, когда запоминают только основание и сахар, но забывают о фосфате. Проверьте себя: если фосфатной группы нет, перед вами нуклеозид, а не нуклеотид.

В ДНК помещают урацил, а в РНК — тимин. Так происходит из-за смешения двух наборов оснований. Для проверки вспомните пары: в ДНК работает А—Т, а в РНК аденину соответствует урацил.

Записывают пары А—Ц и Г—Т. Эти сочетания не являются комплементарными в обычной двуцепочечной ДНК. Сверяйте каждую букву с правилом А—Т, Г—Ц, а не подбирайте основания по внешнему сходству.

Считают любую РНК одноцепочечной и одинаковой по функции. Большинство РНК действительно имеют одну цепь, но способны складываться в сложные формы, а их виды выполняют разные задачи. Проверить себя можно вопросом: участвует ли данная РНК в переносе информации, работе рибосомы или доставке аминокислот.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеотидов нужны знания о строении углеводов и роли пентоз, а также представления о различиях азотистых оснований. Эти компоненты определяют состав и свойства всей молекулы.

Тема связана со строением клетки и химическими связями. Позже она поможет разобраться в репликации ДНК, транскрипции и синтезе белка.

Комплементарность объясняет, как клетка копирует наследственную информацию и считывает последовательности нуклеотидов. Поэтому правило пар оснований связывает химическое строение с передачей признаков.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из основания, пентозы и фосфатной группы.
• Нуклеозид не содержит фосфатной группы.
• В ДНК сахар — дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В РНК урацил заменяет тимин.
• Комплементарные пары в ДНК: А—Т и Г—Ц.
• Последовательность нуклеотидов несёт наследственную информацию.
• ДНК преимущественно хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её реализации.