Нуклеиновые кислоты и их роль в клетке

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, состоящие из повторяющихся звеньев-нуклеотидов. Они хранят наследственную информацию, помогают передавать её новым клеткам и обеспечивают её использование в клетке. Поэтому их работа связана и с наследственностью, и с синтезом необходимых клетке молекул.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, то есть её отдельное повторяющееся звено. В него входят азотистое основание, пентоза и остаток фосфорной кислоты. Из множества таких звеньев складываются длинные молекулы ДНК и РНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию клетки. Информация записана в порядке нуклеотидов, а её сохранение позволяет клетке передавать сведения о своих свойствах. ДНК служит основой для последующего использования этой информации.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — нуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации, в частности в синтезе белка. Разные виды РНК выполняют разные задачи в этом процессе. Благодаря им информация, записанная в ДНК, может быть использована при создании белковых молекул.

Как это устроено

В каждом нуклеотиде есть сахар, фосфат и азотистое основание. Сахар относится к пентозам — сахарам с пятью атомами углерода; в ДНК это дезоксирибоза, а в РНК — рибоза. Основания тоже бывают разными: к ним относятся аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил. Поэтому сочетание сахара и основания позволяет отличать виды нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Нуклеотиды соединяются друг с другом в длинную цепь: сахар одного звена связан с фосфатной частью следующего. Основания при этом выступают как последовательность, расположенная вдоль цепи. Поскольку оснований несколько и они могут идти в разном порядке, цепь получает множество возможных последовательностей. Именно эта последовательность позволяет записывать информацию, а не просто обозначать состав молекулы.

Молекула ДНК обычно образована двумя цепями, закрученными в двойную спираль. Цепи удерживаются вместе благодаря соответствию оснований: аденин образует пару с тимином, гуанин — с цитозином. Это соответствие называют принципом комплементарности. Если известна последовательность оснований одной цепи, правило пар позволяет определить последовательность другой, а двойная структура помогает сохранять запись информации.

В РНК вместо дезоксирибозы содержится рибоза, а вместо тимина обычно встречается урацил. Кроме того, молекула РНК чаще состоит из одной цепи, тогда как ДНК обычно двухцепочечная. Различие в сахаре и основаниях важно для распознавания этих молекул, а одна цепь может складываться в разные формы. В результате РНК подходит для выполнения нескольких задач при работе с наследственной информацией.

Матричная РНК переносит информацию, считанную с ДНК, к месту синтеза белка. Там рибосома, в состав которой входит рибосомная РНК, считывает последовательность матричной РНК. Транспортная РНК доставляет к рибосоме аминокислоты — части, из которых собирается белок. Так три вида РНК действуют совместно: информация задаёт порядок сборки, а аминокислоты становятся материалом для белковой цепи.

Сравнение ДНК и РНК

Сначала сравните сахар и набор оснований: эти признаки помогают различить ДНК и РНК даже в задании о составе нуклеотида. Затем сопоставьте число цепей и функции, чтобы связать строение с ролью молекулы. Формулировки «обычно» и «типичное» напоминают, что таблица описывает характерные особенности.

Разбор задач

Задача 1. В нуклеотиде обнаружены дезоксирибоза, фосфат и тимин. Определите, к какой нуклеиновой кислоте он относится. Важно проверить не только наличие фосфата, который входит в нуклеотиды обеих кислот, но и характерные сахар и основание. Последовательное сравнение признаков помогает избежать догадки по одному компоненту.

1. Определяем сахар: дезоксирибоза характерна для нуклеотидов ДНК. Это первый признак, указывающий на ДНК.

2. Проверяем основание: тимин входит в состав ДНК, а для РНК типичен урацил. Фосфат подтверждает, что перед нами часть нуклеотида, но сам по себе не различает ДНК и РНК.

Ответ: нуклеотид относится к ДНК.

Задача 2. Запишите последовательность комплементарной цепи ДНК для фрагмента А–Т–Г–Ц–Ц–А. Нужно подобрать основание напротив каждого нуклеотида исходной цепи. Действуем слева направо и для каждой позиции применяем правило пар оснований.

1. Для первого А ставим Т, а для второго Т — А. Получаем начало комплементарной цепи: Т–А.

2. Для Г ставим Ц, для Ц — Г, для следующей Ц — Г. Последний А заменяем на Т.

Ответ: Т–А–Ц–Г–Г–Т. Проверка: в каждой позиции пары соответствуют правилу А—Т и Г—Ц.

Задача 3. Определите, какие виды РНК переносят информацию от ДНК, доставляют аминокислоты и участвуют в построении рибосомы, а затем объясните их взаимодействие. Здесь важно не смешать разные задачи трёх молекул. Представим синтез белка как последовательную работу с инструкцией и материалом.

1. Матричная РНК переносит информацию, записанную по образцу ДНК, к рибосоме. Её последовательность служит инструкцией для сборки белка.

2. Рибосомная РНК входит в состав рибосомы, где происходит сборка белка. Транспортная РНК приносит туда аминокислоты, необходимые для построения белковой цепи.

3. В рибосоме информация матричной РНК используется для выбора порядка аминокислот. Транспортные РНК доставляют их, а рибосома объединяет в цепь.

Ответ: матричная РНК переносит информацию, транспортная доставляет аминокислоты, рибосомная входит в состав рибосомы. Вместе они обеспечивают перевод информации в последовательность аминокислот.

Типичные ошибки

• Ошибка — считать нуклеотид и азотистое основание одним и тем же. Основание — только одна из трёх частей нуклеотида, рядом с ним в составе есть сахар и фосфат. Так путают, потому что именно основания часто используют для записи последовательности. Проверь себя: можешь ли ты назвать все три компонента?

• Ошибка — путать тимин и урацил. Тимин характерен для ДНК, а урацил обычно входит в состав РНК. Путаница возникает из-за сходства их роли в обозначении оснований. Для самопроверки вспомни: в ДНК пара А—Т, а в РНК вместо Т обычно стоит У.

• Ошибка — считать, что напротив аденина в ДНК находится гуанин. Основания соединяются не произвольно: аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину. Ошибку проще заметить, если проверять каждую пару отдельно. Сверь последовательность с двумя правилами: А—Т и Г—Ц.

• Ошибка — сводить функции всех видов РНК к одной задаче. Матричная РНК переносит информацию, транспортная приносит аминокислоты, а рибосомная входит в состав рибосомы. Их названия и роли легко смешать, если запоминать их без связи с процессом. Проверь себя, выстроив путь от информации к аминокислотам и месту сборки белка.

Связь с другими темами

Для изучения нуклеиновых кислот нужны знания о строении клетки и о биополимерах. Биополимер — крупная молекула, состоящая из повторяющихся звеньев, а мономер — отдельное звено; в нуклеиновых кислотах эту роль выполняет нуклеотид. Также полезно знать, из каких компонентов он состоит. Понимание темы помогает объяснить, как клетка хранит и передаёт наследственную информацию.

Связь ДНК и РНК важна для изучения биосинтеза белка и наследственности. Последовательность нуклеотидов задаёт информацию, используемую при создании белков, а передача этой информации связана с сохранением свойств клеток и организмов. Поэтому строение нуклеиновых кислот помогает понять, как наследственная информация проявляется в работе клетки.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — полимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
• Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• В РНК вместо тимина обычно присутствует урацил.
• ДНК хранит наследственную информацию, а разные виды РНК участвуют в её реализации.