§ 7. Нуклеиновые кислоты. АТФ

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот, то есть их повторяющаяся структурная единица. Он состоит из азотистого основания, сахара-пентозы и фосфатной группы. Основание различается у разных нуклеотидов, поэтому их последовательность может нести информацию.

Нуклеиновая кислота — биополимер, цепь которого образована множеством нуклеотидов. ДНК и РНК хранят, передают или помогают использовать наследственную информацию. Такое разделение функций позволяет клетке сохранять запись и обращаться к ней при необходимости.

ДНК — нуклеиновая кислота, обычно состоящая из двух цепей нуклеотидов. В последовательности её оснований записана наследственная информация: в частности, сведения о строении белков и регуляции работы клетки. Две цепи связаны так, что последовательность одной позволяет определить последовательность другой.

АТФ — аденозинтрифосфат, нуклеотид, состоящий из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп. Он участвует в переносе энергии между клеточными процессами. Когда клетке нужно выполнить работу, превращение АТФ помогает обеспечить её энергией.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются в цепь через сахар и фосфатные группы: сахар одного звена связывается с фосфатом следующего. Так возникает сахарофосфатный остов, который удерживает цепь, а основания выступают от него в стороны. Поскольку основания могут располагаться в разном порядке, именно их последовательность служит записью информации, а не сам остов.

ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов; в её составе встречаются основания А, Т, Г и Ц. Две цепи антипараллельны: они направлены противоположно, что соответствует устройству двойной спирали. Основания соединяются комплементарно — А с Т, Г с Ц; поэтому напротив каждого основания одной цепи находится определённое основание другой. Благодаря этому при копировании цепи могут служить образцами для восстановления пары.

В РНК сахаром служит рибоза, а урацил занимает место тимина. Эти отличия состава помогают отличать РНК от ДНК, а преимущественно одноцепочечное строение позволяет РНК принимать разные формы. Разные виды РНК выполняют разные задачи: одни переносят сведения, другие доставляют аминокислоты, третьи входят в состав рибосом. Поэтому РНК может участвовать в использовании наследственной информации, а не только хранить её.

Строение ДНК и РНК связано с их функциями. Две взаимодополняющие цепи ДНК позволяют надёжно сохранять запись и использовать одну цепь как образец при копировании. РНК обычно существует в виде отдельных молекул, которые могут переносить информацию и участвовать в синтезе белка. Так наследственная информация не только сохраняется, но и используется клеткой.

АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп. При гидролизе, то есть реакции с участием воды, АТФ превращается в АДФ и неорганический фосфат; при этом высвобождается энергия. Клетка сопрягает это превращение с затратными процессами, например синтезом веществ или движением. Поэтому АТФ работает как переносчик энергии, связывающий разные реакции, а не как запас энергии, который просто «лежит» в одной связи.

Сравнение ДНК, РНК и АТФ

Сравнивайте молекулы по нескольким признакам сразу: сахар и основания помогают различить ДНК и РНК, а число фосфатных групп и роль выделяют АТФ. Помните, что АТФ не является полимером нуклеотидов. Таблица показывает общие свойства, поэтому слово «обычно» важно: у РНК возможны участки со спаренными основаниями.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, из каких частей состоит нуклеотид ДНК, если в его составе обнаружен тимин. Чтобы ответить, нужно определить, к какой нуклеиновой кислоте относится основание, а затем назвать полный состав её нуклеотида. Тимин характерен для ДНК, но сам по себе не заменяет ни сахар, ни фосфат.

1. Тимин — одно из азотистых оснований ДНК.
2. В нуклеотиде ДНК сахаром является дезоксирибоза.
3. К основанию и сахару присоединена фосфатная группа.

Ответ: нуклеотид с тимином состоит из тимина, дезоксирибозы и фосфатной группы.

Задача 2. Дана цепь ДНК А–Г–Т–Ц–Ц–А. Запишите последовательность комплементарной цепи. Здесь нужно подбирать основание для каждого звена отдельно и сохранять исходный порядок позиций. Для проверки используйте пары А–Т и Г–Ц.

1. Напротив А поставьте Т.
2. Напротив Г поставьте Ц, напротив Т — А.
3. Напротив Ц поставьте Г, затем ещё раз Г; напротив последней А — Т.

Ответ: Т–Ц–А–Г–Г–Т. В каждой позиции получилось основание, комплементарное соответствующему основанию исходной цепи.

Задача 3. Запишите, какие вещества образуются при гидролизе АТФ до АДФ, и объясните, как высвобождаемая энергия может использоваться клеткой. В условии указано, что продуктом превращения является АДФ, поэтому нужно определить, что отделяется от АТФ. Затем следует связать высвобождение энергии с клеточной работой, а не считать его самостоятельным результатом.

1. При гидролизе одна из фосфатных групп отделяется от АТФ.
2. Образуются АДФ и неорганический фосфат; одновременно высвобождается энергия.
3. Клетка сопрягает это превращение с затратным процессом, например синтезом вещества, обеспечивая его энергией.

Ответ: образуются АДФ и неорганический фосфат. Высвобождаемая энергия используется клеткой благодаря сопряжению гидролиза АТФ с процессами, требующими затрат энергии.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что нуклеотид состоит только из основания и сахара. Так путают его с нуклеозидом, в котором фосфатной группы нет. Проверка простая: назовите три части нуклеотида — основание, пентозу и фосфат.

Иногда в РНК записывают тимин, а в ДНК — урацил. Путаница возникает потому, что у обеих молекул есть общие основания, а тимин и урацил похожи по роли. Проверьте сахар и основание вместе: для ДНК характерны дезоксирибоза и тимин, для РНК — рибоза и урацил.

При записи комплементарной цепи можно поменять местами пары или решить, что цепи одинаковы. Но комплементарность означает точное соответствие: А–Т и Г–Ц, а не повтор исходной последовательности. Проверяйте каждую позицию отдельно и следите, чтобы основание партнёра было выбрано верно.

Фразу «энергия содержится в связи АТФ» иногда понимают так, будто разрыв любой химической связи сам по себе выделяет энергию. Важен общий результат гидролиза: высвобождение энергии может быть сопряжено с процессом, которому она нужна. Для самопроверки назовите продукты реакции — АДФ и неорганический фосфат — и укажите, на какую клеточную работу направляется энергия.

Связь с другими темами

Для изучения нуклеиновых кислот нужны знания о строении органических молекул и биополимерах. Понятия мономера и полимера помогают понять, как множество нуклеотидов образует длинную цепь. Различие между нуклеотидом и нуклеозидом позволяет точнее описывать её состав.

Строение ДНК и комплементарность понадобятся при изучении удвоения ДНК. Правило пар объясняет, как по одной цепи можно восстановить другую. Это важно для передачи наследственной информации при делении клеток.

Роль РНК связана с биосинтезом белка, а роль АТФ — с обменом веществ и энергетическими процессами клетки. Понимание этих молекул помогает проследить путь от наследственной записи к работе клетки. Оно также объясняет, откуда берётся энергия для синтеза и других процессов.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и фосфатной группы.
• ДНК содержит дезоксирибозу и основания А, Т, Г, Ц.
• В РНК содержится рибоза, а урацил заменяет тимин.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её реализации.
• АТФ состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп.
• Гидролиз АТФ обеспечивает энергией многие процессы клетки.