§ 27. Структура нуклеиновых кисл

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, состоящий из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентозой называют сахар с пятью атомами углерода. Три части нуклеотида важны не только для его описания: основания различаются и участвуют в распознавании, а сахар с фосфатом соединяют мономеры в цепь.

Нуклеозид — соединение азотистого основания с пентозой; фосфатного остатка в нём нет. Если к нуклеозиду присоединяется фосфат, получается нуклеотид. Это различие помогает точно описывать состав молекул и не путать строительную единицу нуклеиновой кислоты с её частью.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, нуклеотиды которой содержат сахар дезоксирибозу. Обычно молекула образована двумя цепями, соединёнными в двойную спираль. Такое устройство позволяет связывать последовательности оснований двух цепей и служит основой для копирования наследственной информации.

РНК — рибонуклеиновая кислота, нуклеотиды которой содержат рибозу. Обычно она состоит из одной цепи, хотя отдельные её участки могут спариваться. Разные молекулы РНК помогают клетке использовать информацию, записанную в ДНК.

Как это устроено

У нуклеотида три части: основание, пентоза и фосфатный остаток. Азотистые основания делятся на пуриновые и пиримидиновые: пурины — аденин и гуанин — имеют два кольца, а пиримидины — цитозин, тимин и урацил — одно. Размер и строение колец важны для взаимодействия оснований: в двойной спирали всегда сочетаются одно пуриновое и одно пиримидиновое основание. Поэтому пары имеют сходную ширину, и спираль сохраняет устойчивую форму.

Нуклеотиды соединяются последовательно: фосфатная группа одного мономера связывает сахара соседних нуклеотидов. Так возникает повторяющийся сахарофосфатный остов, а основания выступают от него в сторону. У цепи есть направление: его обозначают концами 5′ и 3′, связанными с нумерацией атомов углерода пентозы. Направленность нужна, чтобы описывать порядок оснований и правильно сопоставлять цепи.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, закрученных вокруг общей оси в двойную спираль. Цепи антипараллельны: если одна направлена от 5′ к 3′, другая идёт от 3′ к 5′. Основания обращены внутрь молекулы, где между ними возникают водородные связи. Эти связи удерживают цепи рядом, но позволяют им разъединяться, когда клетке нужно скопировать информацию.

В ДНК основания соединяются не произвольно: аденин образует пару с тимином, гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью, то есть взаимным соответствием оснований двух цепей. Если в одной цепи известен порядок нуклеотидов, последовательность второй можно восстановить по правилам А—Т и Г—Ц. Комплементарность обеспечивает точное копирование последовательности при удвоении ДНК.

РНК отличается от ДНК прежде всего сахаром и одним из оснований: в её составе рибоза, а вместо тимина обычно находится урацил. Кроме того, РНК чаще всего представлена одной полинуклеотидной цепью. Однако одноцепочечность не означает, что вся молекула остаётся прямой: участки одной цепи могут сближаться и спариваться, если основания подходят друг другу. Такие участки влияют на форму и работу конкретной молекулы РНК.

Сравнение строения ДНК и РНК

Сначала сравнивайте сахар и набор оснований: по ним проще всего различить ДНК и РНК. Затем обращайте внимание на число цепей и роль молекулы. В строке о спаривании указаны типичные пары, но у РНК они могут возникать внутри одной молекулы.

Разбор задач

Задача 1. Определить, из каких частей состоит нуклеотид, содержащий аденин и дезоксирибозу. В условии названы основание и сахар, но нуклеотид включает ещё один обязательный компонент. Не следует принимать указанные части за полный состав. Проверим определение нуклеотида по его трём составляющим.

1. Аденин — это азотистое основание.
2. Дезоксирибоза — пентоза, то есть сахар с пятью атомами углерода.
3. К ним нужно добавить остаток фосфорной кислоты.

Ответ: аденин, дезоксирибоза и фосфатный остаток.

Задача 2. Записать последовательность комплементарной цепи ДНК для фрагмента 5′-А-Г-Т-Ц-3′ и указать направление новой цепи. Сначала подбираем к каждому основанию пару, затем учитываем направления цепей: они антипараллельны. Поэтому новая цепь не может быть записана в том же направлении относительно исходной.

1. По правилу комплементарности А заменяем на Т, Г — на Ц, Т — на А, Ц — на Г.
2. Получаем порядок оснований Т-Ц-А-Г напротив исходной цепи.
3. Исходная цепь записана 5′→3′, поэтому комплементарная напротив неё направлена 3′→5′.

Ответ: 3′-Т-Ц-А-Г-5′. Если записать новую цепь в стандартном направлении 5′→3′, её последовательность будет 5′-Г-А-Ц-Т-3′.

Задача 3. Фрагмент двуцепочечной ДНК содержит 20% аденина. Найти доли остальных оснований. Здесь важно использовать не только сумму долей, но и комплементарность: аденин всегда находится в паре с тимином, а гуанин — с цитозином. Учитываем, что речь идёт о двуцепочечной ДНК.

1. Доля тимина равна доле аденина: Т = 20%.
2. На аденин и тимин вместе приходится 20% + 20% = 40%.
3. На гуанин и цитозин остаётся 100% − 40% = 60%.
4. Поскольку Г = Ц, оставшиеся 60% делим поровну: по 30%.

Ответ: тимина — 20%, гуанина — 30%, цитозина — 30%.

Типичные ошибки

Путать нуклеозид и нуклеотид. Их названия похожи, поэтому легко забыть о фосфатном остатке. Но у нуклеозида есть только основание и пентоза, а у нуклеотида — все три компонента. Проверьте себя вопросом: присутствует ли в описанном составе фосфат?

Смешивать рибозу с дезоксирибозой, а урацил с тимином. Эти названия часто запоминают парами, но могут поменять местами. Дезоксирибоза и тимин характерны для ДНК, рибоза и урацил — для РНК. Перед ответом уточните, о какой нуклеиновой кислоте идёт речь.

Считать, что цепи ДНК направлены одинаково. На схемах обе цепи могут выглядеть параллельными, если направления не подписаны. Однако концы 5′ и 3′ у них обращены противоположно. Проверка проста: если одну цепь записали 5′→3′, напротив второй укажите 3′→5′.

Полагать, что любые основания могут спариваться друг с другом. Такое представление возникает, если воспринимать основания как одинаковые «ступеньки» спирали. В ДНК пары строго соответствуют друг другу: А—Т и Г—Ц. При проверке комплементарной последовательности заменяйте каждый нуклеотид только его парным основанием.

Связь с другими темами

Для понимания строения нуклеотида пригодятся знания об углеводах, особенно о пентозах. Нужно также различать азотистые основания и знать, что аденин и гуанин относятся к пуринам, а цитозин, тимин и урацил — к пиримидинам. Эти сведения помогают уверенно читать состав ДНК и РНК.

Строение ДНК объясняет, почему при репликации — удвоении молекулы перед делением клетки — последовательность можно восстановить по каждой цепи. Комплементарность задаёт порядок оснований новой цепи и помогает сохранять наследственную информацию.

Знание строения РНК нужно для изучения биосинтеза белка. Матричная, транспортная и рибосомная РНК выполняют разные задачи при передаче информации и сборке белковой молекулы. Их функции легче понять, зная, как устроена одноцепочечная молекула и почему она может складываться.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и фосфатного остатка.
• Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь сахарофосфатным остовом.
• ДНК обычно образована двумя антипараллельными цепями, закрученными в двойную спираль.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• В РНК содержится рибоза и обычно урацил вместо тимина.
• РНК обычно одноцепочечна, но её цепь может образовывать участки спаривания.