Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — органические вещества, которые хранят, передают и помогают использовать наследственную информацию. Они относятся к биополимерам, то есть состоят из множества повторяющихся звеньев. Благодаря им клетка получает программу построения белков и сохраняет признаки организма.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. У эукариот основная часть ДНК находится в ядре, а небольшие количества — в митохондриях и хлоропластах. Молекула хранит наследственную информацию о строении и работе клетки, поэтому её можно сравнить с долговременным хранилищем генетической программы.

РНК — рибонуклеиновая кислота. Она переносит сведения, записанные в ДНК, и участвует в их использовании при синтезе белка. Поэтому РНК связывает хранение наследственной информации с её реализацией в клетке.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновой кислоты. Он состоит из сахара, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Соединяясь в цепь, нуклеотиды создают молекулу, в которой порядок оснований записывает наследственную информацию.

Как это устроено

Нуклеотиды соединяются последовательно: сахар одного соединяется с остатком фосфорной кислоты другого. Так образуется длинная цепь, а повторяющиеся сахар и фосфат формируют её прочную основу. Азотистые основания выступают сбоку и могут располагаться в разном порядке, поэтому именно их последовательность служит записью информации.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в форме двойной спирали. Цепи удерживаются связями между азотистыми основаниями, обращёнными внутрь спирали. Наружу направлена сахарофосфатная основа, которая поддерживает форму молекулы и защищает её внутреннюю последовательность.

Аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином, потому что размеры и свойства этих оснований подходят друг к другу. Такие пары образуют устойчивые соединения и сохраняют одинаковую ширину двойной спирали. Поэтому против каждого основания одной цепи во второй оказывается только определённый партнёр, и цепи становятся соответствующими, или комплементарными.

ДНК обычно двухцепочечна, а РНК обычно представляет собой одну цепь. В нуклеотидах ДНК находится сахар дезоксирибоза, а в нуклеотидах РНК — рибоза. Кроме того, в ДНК есть тимин, тогда как в РНК его место занимает урацил; общими основаниями остаются аденин, гуанин и цитозин.

Информация ДНК используется не напрямую, а через молекулы РНК. Сначала на участке ДНК создаётся молекула информационной РНК, которая переносит последовательность к рибосоме. Затем по этой последовательности из аминокислот собирается белок, поэтому наследственная информация проявляется в строении и работе клетки.

Сравнение ДНК и РНК

Сначала сравните строение: число цепей, вид сахара и набор оснований. Затем сопоставьте функции, потому что одинаковое общее назначение нуклеиновых кислот не означает одинаковую работу ДНК и РНК. Таблица особенно полезна для проверки ответа и повторения перед контрольной.

Разбор задач

Задача 1

Назовите три составные части нуклеотида и определите, какие из них различаются у разных нуклеотидов. Нужно перечислить части полного нуклеотида, а затем отделить постоянные элементы от изменяемого. Учитывайте, что нуклеотиды ДНК и РНК могут иметь разные сахара.

1. Записываем состав: сахар, остаток фосфорной кислоты, азотистое основание.
2. Сравниваем нуклеотиды одной нуклеиновой кислоты: сахар и фосфат входят в общий каркас, а основание может быть разным.
3. Сравниваем ДНК и РНК: у них различаются также сахара — дезоксирибоза и рибоза.

Ответ: нуклеотид состоит из сахара, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. В пределах ДНК или РНК нуклеотиды различаются видом азотистого основания. Между ДНК и РНК дополнительно различается сахар.

Задача 2

Для участка одной цепи ДНК задана последовательность А–Г–Т–Ц. Запишите последовательность соответствующей цепи. Вторая цепь не копирует исходную буквально, потому что напротив каждого основания должен стоять его комплементарный партнёр. Поэтому применяем пары А—Т и Г—Ц по порядку.

1. Напротив А ставим Т.
2. Напротив Г ставим Ц.
3. Напротив Т ставим А, а напротив Ц — Г.

Ответ: Т–Ц–А–Г. Проверка выполняется по каждой позиции: все четыре основания образовали допустимые пары. Если хотя бы одна пара не соответствует правилу А—Т или Г—Ц, последовательность записана неверно.

Задача 3

В молекуле ДНК содержится 20% аденина. Определите долю остальных оснований. В двуцепочечной ДНК доля аденина равна доле тимина, потому что они образуют пары. После этого оставшуюся долю поровну распределяем между гуанином и цитозином.

1. По правилу комплементарности на тимин приходится столько же: 20%.
2. Складываем доли аденина и тимина: 20% + 20% = 40%.
3. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 40% = 60%.
4. Делим остаток поровну: 60% : 2 = 30%.

Ответ: аденина — 20%, тимина — 20%, гуанина — 30%, цитозина — 30%. Проверка: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%. Кроме того, совпадают доли комплементарных оснований: А = Т и Г = Ц.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ДНК и РНК различаются только названием. Такое происходит, если запомнить лишь расшифровку сокращений и не сравнить строение и функции. Проверьте себя по трём признакам: число цепей, сахар и особое основание, а затем назовите роль каждой молекулы.

Ошибка: путать сахара ДНК и РНК. Названия похожи, поэтому легко приписать обеим молекулам рибозу или дезоксирибозу. Запомните связку: ДНК — дезоксирибоза, РНК — рибоза.

Ошибка: записывать пары оснований как А—Г или Т—Ц. Причина обычно в том, что ученик смешивает названия четырёх оснований и не применяет правило комплементарности. Проверьте каждую пару по формуле А—Т, Г—Ц.

Ошибка: считать, что РНК хранит наследственную информацию так же, как ДНК. Такую путаницу вызывает общее участие обеих молекул в работе с генетическими сведениями. Для проверки спросите себя, какая молекула хранит программу, а какая переносит её и помогает собрать белок.

Связь с другими темами

Перед изучением нуклеиновых кислот нужно знать строение клетки и основные группы органических веществ. Особенно пригодятся сведения о белках, которые выполняют множество функций, и об углеводах, к которым относятся сахара, входящие в состав нуклеотидов. Это помогает увидеть связь между строением вещества и его работой.

Тема служит основой для изучения гена, наследственности и синтеза белка. Знание комплементарности объясняет копирование ДНК и передачу признаков от родителей потомству. Позже эти представления понадобятся при изучении мутаций и регуляции работы генов.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, построенные из нуклеотидов.
• Каждый нуклеотид состоит из сахара, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.
• ДНК хранит наследственную информацию.
• Молекула ДНК состоит из двух цепей, соединённых по принципу комплементарности.
• В ДНК аденин соответствует тимину, а гуанин — цитозину.
• РНК обычно состоит из одной цепи; вместо тимина в ней содержится урацил.
• РНК участвует в передаче и реализации наследственной информации.