§ 18. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, хранящие, передающие и реализующие наследственную информацию. Биополимерами называют крупные молекулы, построенные из повторяющихся звеньев. Благодаря нуклеиновым кислотам клетка сохраняет сведения о строении и работе организма и может передавать их при делении.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновой кислоты, состоящая из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — сахар с пятью атомами углерода, а азотистое основание — часть молекулы, различающая нуклеотиды по типу. Основания образуют последовательность, в которой записана наследственная информация.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, хранящая наследственную информацию. Её молекула обычно образована двумя цепями, связанными друг с другом. Двойное строение помогает сохранять запись и копировать её, когда клетке нужно передать информацию дочерним клеткам.

РНК — рибонуклеиновая кислота, участвующая в передаче и реализации наследственной информации. Она помогает использовать запись ДНК для создания белков, которые выполняют многие задачи в клетке. В зависимости от вида РНК может переносить информацию, доставлять аминокислоты или входить в состав рибосомы.

Как это устроено

Нуклеиновые кислоты относят к биополимерам, потому что их длинные молекулы построены из множества повторяющихся нуклеотидных звеньев. При соединении нуклеотидов сахар одного звена связывается с остатком фосфорной кислоты следующего. Так формируется прочный остов цепи, а азотистые основания выступают от него в сторону. Порядок оснований может меняться, поэтому цепи способны хранить разные наследственные записи.

Каждый нуклеотид включает три части: азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты. В ДНК сахаром служит дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; отличие заключается в строении этих сахаров. В ДНК встречаются аденин, тимин, гуанин и цитозин, тогда как в РНК вместо тимина присутствует урацил. Различия состава помогают распознавать молекулы и связаны с их строением и ролью.

Молекула ДНК обычно состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в двойную спираль. Сахарофосфатные остовы обращены наружу, а основания располагаются внутри и образуют пары. Цепи антипараллельны: одна идёт в направлении 5′→3′, другая — 3′→5′. Между основаниями возникают водородные связи, которые удерживают цепи рядом, но позволяют им разъединяться при копировании ДНК.

Основания соединяются не произвольно, а по принципу комплементарности: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Размеры и строение этих пар позволяют им подходить друг к другу: крупное основание соединяется с меньшим. Поэтому последовательность одной цепи однозначно задаёт последовательность второй. Например, напротив участка А–Г–Ц–Т будет участок Т–Ц–Г–А, если записывать цепи в противоположных направлениях.

РНК отличается от ДНК сахаром, одним основанием и обычно числом цепей: в её нуклеотидах рибоза и урацил, а молекула чаще одноцепочечная. Такая цепь может изгибаться и принимать формы, подходящие для разных задач. Матричная РНК переносит копию информации, транспортная РНК доставляет аминокислоты, а рибосомная РНК входит в состав рибосом. Вместе эти виды участвуют в синтезе белка, тогда как ДНК остаётся долговременным хранилищем записи.

Сравнение ДНК и РНК

Сопоставляйте свойства по строкам: так легче увидеть, какие различия связаны с составом, а какие — с функциями молекул. Слова «обычно» важны: строение и расположение отдельных молекул могут различаться в зависимости от типа клетки и организма.

Разбор задач

1. Состав нуклеотида ДНК

Условие. Укажите состав нуклеотида ДНК, содержащего аденин, и назовите его. Основание уже указано в условии, поэтому нужно подобрать соответствующий сахар и добавить третью обязательную часть. По сахару можно определить, к какой нуклеиновой кислоте относится нуклеотид.

1. Записываем основание: аденин.
2. Так как речь идёт о ДНК, сахар — дезоксирибоза, а не рибоза.
3. Добавляем остаток фосфорной кислоты: все три части вместе образуют адениновый нуклеотид ДНК.

Ответ: аденин, дезоксирибоза и остаток фосфорной кислоты; это дезоксиадениловый нуклеотид (нуклеотид ДНК с аденином).

2. Комплементарная цепь и содержание оснований

Условие. Дана цепь ДНК 5′-А–Г–Ц–Т–Т–А-3′. Требуется записать комплементарную цепь и определить содержание аденина и тимина во всей двуцепочечной молекуле. При составлении пары заменяем А на Т, Т на А, Г на Ц и Ц на Г. Также учитываем антипараллельность: напротив цепи, записанной 5′→3′, комплементарная идёт 3′→5′.

1. Под каждым основанием исходной цепи записываем пару: Т–Ц–Г–А–А–Т.
2. В направлении, параллельном исходной записи, получаем 3′-Т–Ц–Г–А–А–Т-5′. Если записывать эту цепь привычно от 5′ к 3′, порядок будет 5′-Т–А–А–Г–Ц–Т-3′.
3. В исходной цепи два А и два Т. В комплементарной также два А и два Т, поэтому в обеих цепях вместе четыре А и четыре Т.

Ответ: комплементарная цепь 3′-Т–Ц–Г–А–А–Т-5′; в двуцепочечной молекуле 4 аденина и 4 тимина.

3. Число нуклеотидов и длина фрагмента

Условие. Фрагмент ДНК содержит 120 пар нуклеотидов. Нужно определить общее число нуклеотидов в двух цепях и длину фрагмента, если между соседними парами нуклеотидов 0,34 нм. Одна пара включает по одному нуклеотиду от каждой цепи. Поэтому число пар для расчёта длины не следует путать с общим числом нуклеотидов.

1. В каждой паре два нуклеотида, значит, всего 120 × 2 = 240 нуклеотидов.
2. На одну пару приходится шаг длины 0,34 нм, поэтому длина равна 120 × 0,34 нм.
3. Вычисляем: 120 × 0,34 = 40,8 нм.

Ответ: 240 нуклеотидов в двух цепях; длина фрагмента — 40,8 нм.

Типичные ошибки

Считать нуклеотид только азотистым основанием. Так можно ошибиться, если запомнить наиболее заметную часть и упустить остальные. Но без пентозы и остатка фосфорной кислоты это не полный нуклеотид. Проверь себя: назови все три составляющие, прежде чем определять его вид.

Путать тимин и урацил. Их смешивают, потому что оба основания комплементарны аденину. Однако тимин характерен для ДНК, а урацил — для РНК. Проверка простая: если в записи указана РНК, ищи урацил; если ДНК — тимин.

Записывать пары оснований ДНК как А—Г и Т—Ц. Ошибка возникает, когда правила пытаются угадать вместо того, чтобы выучить. В ДНК пары только А—Т и Г—Ц, поэтому неверная пара не задаёт правильную вторую цепь. Проверь каждую позицию по этим двум сочетаниям.

Смешивать функции ДНК и РНК. Иногда РНК приписывают долговременное хранение наследственной информации, а ДНК — непосредственную доставку аминокислот. Обычно хранителем служит ДНК, а с переносом записи и аминокислот при синтезе белка связаны разные виды РНК. Для проверки спроси себя, какая молекула хранит запись, а какая помогает её использовать.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в нуклеиновых кислотах, нужно знать, что такое органические вещества, полимер и мономер, а также понимать строение углеводов и азотистых оснований. В биологии эта тема связывает строение клетки, хромосомы и гены с передачей наследственной информации. Позже знание ДНК и РНК пригодится при изучении синтеза белка и генетического кода. Оно также помогает понять основы наследственности и биотехнологий.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды.
• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• В ДНК содержится дезоксирибоза и основания аденин, тимин, гуанин и цитозин.
• В РНК содержится рибоза, а тимин заменён урацилом.
• Две цепи ДНК удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями.
• Аденин комплементарен тимину в ДНК и урацилу в РНК, гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а РНК обеспечивает её реализацию при синтезе белка.