• Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерами которых служат нуклеотиды. Они хранят, копируют и передают наследственную информацию, то есть сведения о признаках и работе организма. К ним относятся ДНК и РНК.

Нуклеотид — структурное звено нуклеиновой кислоты, состоящее из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — это пятиуглеродный углевод, а основание содержит атомы азота. Такое строение позволяет нуклеотидам соединяться в длинные цепи и записывать информацию последовательностью оснований.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, молекула которой обычно образована двумя комплементарными цепями. Она хранит наследственную информацию и передаёт её дочерним клеткам при копировании. Слово «комплементарные» означает взаимодополняющие: каждому основанию одной цепи соответствует определённое основание другой.

РНК — рибонуклеиновая кислота, обычно состоящая из одной цепи. Она участвует в реализации наследственной информации, прежде всего в синтезе белка. Разные виды РНК выполняют разные задачи: переносят сведения, доставляют аминокислоты или работают в составе рибосом.

Как это устроено

Каждый нуклеотид включает фосфатный остаток, пентозу и одно азотистое основание. В ДНК сахаром служит дезоксирибоза, а в РНК — рибоза; различие связано с небольшим отличием их химического строения. Основание изменяется от нуклеотида к нуклеотиду и поэтому выступает как носитель последовательной записи информации.

Нуклеотиды соединяются ковалентными связями между сахаром одного звена и фосфатным остатком другого. Так возникает прочный сахарофосфатный остов, который образует основу цепи и защищает порядок звеньев. Основания выступают в сторону от остова, поэтому именно их последовательность можно сравнивать и считывать.

Две цепи ДНК удерживаются водородными связями между основаниями. Аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином, потому что размеры и расположение химически активных участков этих пар подходят друг к другу. Поэтому случайное соединение оснований нарушило бы форму молекулы и точность хранения информации.

Две цепи, закрученные в двойную спираль, делают молекулу одновременно устойчивой и пригодной для копирования. При удвоении исходные цепи расходятся, а напротив каждого основания достраивается комплементарное. В результате образуются две молекулы ДНК с той же последовательностью наследственной информации, что и исходная.

РНК отличается от ДНК рибозой вместо дезоксирибозы, урацилом вместо тимина и обычно одной цепью. иРНК переносит запись о белке к рибосоме, тРНК доставляет к ней аминокислоты, а рРНК входит в состав рибосомы и участвует в синтезе. Такое разделение обязанностей позволяет превратить последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот белка.

Сравнение ДНК и РНК

При сравнении сначала определите сахар и набор оснований, затем обратите внимание на число цепей и функцию. Если в условии встречается урацил, речь идёт о РНК, а если тимин — о ДНК. Таблица помогает быстро увидеть не отдельный признак, а систему различий между двумя кислотами.

Разбор задач

Задача 1

Условие: укажите, из каких частей состоит нуклеотид ДНК, содержащий аденин. Нужно определить не всю молекулу ДНК, а состав одного её структурного звена. Поэтому учитываем вид сахара и конкретное основание.

1. Так как нуклеотид относится к ДНК, выбираем пентозу дезоксирибозу.
2. По условию его азотистое основание — аденин.
3. К двум названным частям добавляем обязательный остаток фосфорной кислоты.

Ответ: нуклеотид состоит из остатка фосфорной кислоты, дезоксирибозы и аденина. Наличие аденина не меняет двух других обязательных частей. Если бы речь шла о РНК, вместо дезоксирибозы была бы рибоза.

Задача 2

Условие: в одной цепи ДНК записана последовательность А–Г–Т–Ц. Требуется построить комплементарную цепь, то есть подобрать основание напротив каждого исходного. Порядок символов сохраняем, заменяя каждый знак его парой.

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

Ответ: комплементарная последовательность — Т–Ц–А–Г. Проверка состоит в том, чтобы ещё раз сопоставить пары А–Т и Г–Ц. Нельзя менять порядок оснований или подбирать пару по принципу похожего написания буквы.

Задача 3

Условие: в молекуле ДНК 20% оснований составляет аденин. Нужно найти доли тимина, гуанина и цитозина. Используем два правила: А = Т, Г = Ц, а сумма всех оснований равна 100%.

1. Тимина столько же, сколько аденина: Т = 20%.
2. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 20% − 20% = 60%.
3. Гуанин и цитозин равны, поэтому 60% делим пополам: Г = 30%, Ц = 30%.

Ответ: тимин — 20%, гуанин — 30%, цитозин — 30%. Проверяем сумму: 20% + 20% + 30% + 30% = 100%. Дополнительная проверка — равенство комплементарных пар А и Т, Г и Ц.

Типичные ошибки

Неполный состав нуклеотида. Иногда называют только сахар и основание, забывая о фосфатном остатке. Так происходит из-за смешения понятий «нуклеозид» и «нуклеотид». Проверяйте себя вопросом: названы ли три части — пентоза, основание и фосфат.

Путаница рибозы и дезоксирибозы. Оба вещества являются пентозами, поэтому их легко заменить в памяти. Рибоза входит в РНК, дезоксирибоза — в ДНК. Сначала определите вид кислоты, а уже затем выбирайте сахар.

Неверные пары оснований. Ошибка возникает, когда основания соединяют произвольно или путают названия. В ДНК действуют пары А–Т и Г–Ц. Для проверки замените каждый знак в цепи по этим двум правилам и убедитесь, что ни один не остался без пары.

Одинаковая функция всех видов РНК. Такое представление упрощает тему слишком сильно: иРНК, тРНК и рРНК работают на разных этапах синтеза белка. Сверяйте роль с названием и задачей: информация, перенос аминокислот или работа рибосомы. Тогда вид РНК не будет определяться только по одной букве.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеотидов нужны знания о строении углеводов, особенно о пентозах, и о составе сложных органических веществ. Сахарная часть нуклеотида связывает тему с химией углеводов, а фосфатный остаток — с химией многоосновных кислот.

Нуклеиновые кислоты напрямую связаны с белками и биосинтезом белка. Последовательность нуклеотидов ДНК задаёт информацию, по которой РНК помогает выстроить последовательность аминокислот.

Комплементарность нужна для объяснения наследственности, деления клеток и передачи генетической информации. Она показывает, почему ДНК может точно копироваться и сохранять запись о признаках организма.

Что запомнить

• Нуклеиновые кислоты — полимеры, состоящие из нуклеотидов.
• В состав нуклеотида входят пентоза, азотистое основание и фосфатный остаток.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а различные виды РНК участвуют в её реализации.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.