§ 40. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, хранящие, передающие и реализующие наследственную информацию. Иными словами, они помогают клетке сохранить сведения о её признаках и использовать их для работы. К этой группе относятся ДНК и РНК.

Нуклеотид — структурное звено нуклеиновой кислоты, состоящее из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. Это не просто основание, а целая частица, из множества которых собирается цепь. Различия между нуклеотидами позволяют записывать информацию в виде последовательности оснований.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — нуклеиновая кислота, в которой сахаром служит дезоксирибоза и которая обычно образует двойную спираль. Две её цепи соединены в устойчивую структуру, поэтому ДНК хорошо подходит для хранения наследственных сведений. Дезоксирибозу можно отличить от рибозы по составу нуклеотида.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — нуклеиновая кислота, содержащая рибозу и обычно состоящая из одной цепи. Такая цепь может выполнять разные задачи в клетке, в том числе участвовать в создании белков. Поэтому понятие РНК объединяет молекулы с общей основой, но разными функциями.

Как это устроено

Каждый нуклеотид складывается из трёх частей: сахара, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Сахар и фосфат соединяются с соседними нуклеотидами и повторяются вдоль цепи, тогда как основание выступает своеобразной «буквой». Поэтому полимер имеет общий каркас, но порядок оснований может быть разным и передавать разные сведения.

Нуклеотиды ДНК и РНК различаются прежде всего сахаром и одним из оснований. В ДНК сахар — дезоксирибоза, а набор оснований включает тимин; в РНК сахар — рибоза, а вместо тимина находится урацил. Тимин и урацил родственны по строению, но ДНК использует тимин как устойчивый отличительный компонент, тогда как РНК использует урацил. Поэтому, увидев урацил, обычно можно определить, что речь идёт о РНК, а не о ДНК.

При соединении нуклеотидов фосфат одного звена связывается с сахаром следующего. Так образуется сахарофосфатный остов — повторяющаяся внешняя часть цепи, а основания располагаются по её сторонам. Поскольку порядок оснований не задан самим остовом, он может меняться и служить записью наследственной информации. Последовательность здесь важна так же, как порядок букв в слове.

В обычной молекуле ДНК две цепи располагаются навстречу друг другу и закручиваются в двойную спираль. Их основания соединяются не произвольно: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью, то есть взаимным соответствием частей двух цепей. Оно возможно благодаря подходящему строению оснований и удерживается водородными связями: две в паре А—Т и три в паре Г—Ц.

РНК обычно одноцепочечна, поэтому её строение подходит для выполнения задач, связанных с использованием информации. Матричная РНК переносит сведения о последовательности белка к месту его синтеза. Транспортная РНК доставляет туда нужные аминокислоты, а рибосомная РНК входит в состав рибосом — клеточных структур, на которых собирается белок. Разделение функций помогает согласовать передачу информации и сборку молекулы.

Сравнение ДНК и РНК

Таблица помогает быстро отличить молекулы по сахару и основанию, а затем связать их строение с функциями. При решении задач о составе важно учитывать, рассматривается ли ДНК целиком или только одна её цепь. Для РНК правило равенства А = Т применять нельзя: в ней нет тимина.

Разбор задач

Состав нуклеотида

Условие. Назовите составные части нуклеотида ДНК и укажите, чем его сахар отличается от сахара нуклеотида РНК. Чтобы ответить, нужно перечислить части нуклеотида и отдельно сравнить сахара. Основание не следует путать со всем нуклеотидом.

1. Записываем общий состав нуклеотида: азотистое основание, сахар и остаток фосфорной кислоты.
2. В нуклеотиде ДНК сахаром является дезоксирибоза.
3. В нуклеотиде РНК содержится рибоза, поэтому сахарные компоненты этих кислот различаются.

Ответ. Нуклеотид ДНК состоит из основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты. В нуклеотиде РНК вместо дезоксирибозы находится рибоза.

Число пар и водородных связей

Условие. В молекуле ДНК содержится 500 пар оснований, из них 200 пар — аденин-тимин. Требуется найти число пар гуанин-цитозин и число водородных связей. Сначала определяем оставшееся число пар, а затем учитываем, что разные пары образуют неодинаковое число связей.

1. Всего 500 пар, поэтому пар Г—Ц будет 500 − 200 = 300.
2. Пары А—Т образуют по две связи: 200 × 2 = 400.
3. Пары Г—Ц образуют по три связи: 300 × 3 = 900; всего связей 400 + 900 = 1300.

Ответ. В молекуле 300 пар Г—Ц и 1300 водородных связей. Проверка: 200 + 300 = 500 пар, а число связей сложено с учётом типа каждой пары.

Состав и длина фрагмента

Условие. Фрагмент двухцепочечной ДНК содержит 600 пар нуклеотидов, на аденин приходится 20% всех нуклеотидов. Нужно определить количество каждого основания, число водородных связей и длину фрагмента при расстоянии 0,34 нм между соседними парами. Сначала важно перевести пары в общее число нуклеотидов, потому что процент дан от всех нуклеотидов обеих цепей.

1. В двух цепях всего 600 × 2 = 1200 нуклеотидов. Аденин составляет 20%: 1200 × 0,20 = 240.
2. В двухцепочечной ДНК А = Т, значит, Т тоже 240. Остаётся 1200 − 480 = 720 нуклеотидов Г и Ц; их поровну, поэтому Г = 360 и Ц = 360.
3. Пар А—Т 240, пар Г—Ц 360. Водородных связей: 240 × 2 + 360 × 3 = 1560.
4. Длина равна числу пар, умноженному на расстояние между соседними парами: 600 × 0,34 нм = 204 нм.

Ответ. А — 240, Т — 240, Г — 360, Ц — 360 нуклеотидов; всего 1560 водородных связей, длина фрагмента — 204 нм. Равенство количеств комплементарных оснований подтверждает, что расчёт выполнен для обеих цепей.

Типичные ошибки

Нуклеотид иногда принимают за азотистое основание, потому что основание — наиболее заметная для записи информации часть. Однако в нуклеотид входят также сахар и фосфат, которые обеспечивают построение цепи. Для проверки перечислите все три компонента, прежде чем отвечать о составе звена.

Рибозу и дезоксирибозу путают из-за похожих названий, а урацил иногда ошибочно относят к ДНК. Вспомните пару соответствий: ДНК — дезоксирибоза и тимин, РНК — рибоза и урацил. Самопроверка проста: если в составе ДНК указан урацил, исправьте его на тимин.

Можно ошибочно считать, что любое основание ДНК соединяется с любым другим. Так происходит, если забыть о комплементарности: возможны пары А—Т и Г—Ц, а не случайные сочетания. При проверке подсчёта убедитесь, что число А равно числу Т, а число Г — числу Ц.

Правило А = Т и Г = Ц относится к двухцепочечной ДНК, а не к РНК или отдельно взятой цепи. Ошибка возникает, когда проценты одной цепи принимают за состав всей молекулы или переносят правило на другую кислоту. Перед расчётом отметьте, что именно дано, и переведите число пар ДНК в общее число нуклеотидов обеих цепей.

Связь с другими темами

Для изучения нуклеиновых кислот нужны понятия атома, химической связи, мономера и полимера: они помогают понять состав звена и построение цепи. Тема напрямую связана с синтезом белка, поскольку информация в последовательности оснований участвует в определении последовательности аминокислот. Знание строения ДНК и РНК также необходимо при изучении наследственности, размножения клеток и передачи генетической информации.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из сахара, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, в РНК — рибоза.
• В ДНК вместо урацила находится тимин.
• В двойной цепи ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Пара А—Т образует две водородные связи, пара Г—Ц — три.
• ДНК хранит наследственную информацию, а разные виды РНК участвуют в её реализации.