§ 28. Биологическая роль нуклеиновых кисл

Определения и обозначения

ДНК — нуклеиновая кислота, молекулы которой хранят и передают наследственную информацию. Её нуклеотиды расположены в определённом порядке, и именно этот порядок служит записью инструкций для клетки. Благодаря ДНК наследственные признаки могут передаваться от клетки к клетке и от родителей потомству.

РНК — нуклеиновая кислота, участвующая в реализации наследственной информации. В отличие от ДНК, РНК обычно состоит из одной цепи и содержит урацил вместо тимина. Это позволяет ей выполнять разные задачи при считывании записи и синтезе белков.

Репликация — удвоение молекулы ДНК перед делением клетки. В результате возникают копии наследственного материала, которые распределяются между дочерними клетками. Так клетки-потомки получают информацию, необходимую для своей работы.

Генетический код — соответствие между последовательностями нуклеотидов иРНК и аминокислотами белка. Три последовательных нуклеотида иРНК образуют кодон, которому соответствует аминокислота либо сигнал остановки синтеза. Кодоны позволяют переводить запись из нуклеотидов в последовательность аминокислот.

Как это устроено

Информация в ДНК записана не отдельными нуклеотидами поодиночке, а их последовательностью. Участок молекулы может содержать инструкцию для синтеза белка или другой функциональной молекулы. Поэтому изменение порядка нуклеотидов способно изменить инструкцию и повлиять на работу клетки. ДНК служит долговременным хранилищем этой записи.

Две цепи ДНК удерживаются вместе благодаря комплементарности: напротив аденина находится тимин, а напротив гуанина — цитозин. Когда цепи разделяются, каждая из них может служить образцом для построения новой комплементарной цепи. Такой принцип помогает восстановить исходную последовательность, а не копировать её наугад. В итоге при репликации образуются две молекулы ДНК с одинаковой информацией.

Для использования инструкции клетке не требуется переносить всю ДНК к месту синтеза белка. При транскрипции на одном из участков ДНК собирается молекула РНК, последовательность которой соответствует одной из цепей ДНК с учётом замены тимина на урацил. Полученная РНК может покинуть место хранения ДНК и участвовать в дальнейших этапах. Так информация переносится, а сама ДНК остаётся в клетке.

При трансляции рибосома считывает иРНК группами по три нуклеотида — кодонами. Каждому кодону соответствует определённая аминокислота или сигнал завершения синтеза. Молекулы тРНК распознают кодоны и доставляют нужные аминокислоты к рибосоме. Аминокислоты соединяются в порядке, заданном иРНК, и образуют белок.

У разных видов РНК разные задачи, поэтому они работают совместно. иРНК переносит запись о последовательности белка, тРНК связывает кодоны с нужными аминокислотами, а рРНК входит в состав рибосом и участвует в их работе. Такое распределение функций помогает клетке организовать сборку белка. Если бы не было переносчика записи или доставки аминокислот, инструкция не могла бы превратиться в белковую цепь.

Нуклеиновые кислоты и их роль в клетке

В таблице сопоставлены молекулы и процессы, связанные с хранением и реализацией наследственной информации. При повторении сначала проследите путь информации от ДНК к РНК, затем — от иРНК к белку. Это поможет не смешивать молекулы, выполняющие разные задачи.

Разбор задач

Задача 1. В молекуле ДНК напротив аденина одной цепи определите основание комплементарной цепи и объясните, как это связано с хранением информации.

1. Вспомним правило комплементарности для ДНК: аденин образует пару с тимином.
2. Значит, напротив аденина в одной цепи располагается тимин в другой.
3. Это соответствие помогает восстановить последовательность второй цепи по первой и сохранять запись при копировании.

Ответ: напротив аденина находится тимин; комплементарность позволяет копировать последовательность ДНК.

Задача 2. Фрагмент кодирующей цепи ДНК содержит последовательность АТГ ГЦЦ ТТТ. Запишите соответствующую последовательность иРНК и укажите, какое изменение связано с транскрипцией.

1. Сохраняем порядок нуклеотидов кодирующей цепи, поскольку последовательность иРНК соответствует ей.
2. При записи РНК заменяем каждую букву Т на У, а остальные нуклеотиды оставляем на своих местах.
3. Получаем последовательность АУГ ГЦЦ УУУ. Изменение связано с тем, что в РНК вместо тимина содержится урацил.

Ответ: АУГ ГЦЦ УУУ; при транскрипции в последовательности РНК тимин заменяется урацилом.

Задача 3. По таблице генетического кода определите последовательность аминокислот, закодированную фрагментом иРНК АУГ ГЦЦ УУУ, и опишите роль иРНК, тРНК и рРНК.

1. Разделяем запись на триплеты: АУГ, ГЦЦ и УУУ. Это кодоны, каждый из которых сопоставляется с аминокислотой по таблице генетического кода.
2. АУГ соответствует метионину, ГЦЦ — аланину, УУУ — фенилаланину. Поэтому аминокислоты располагаются в указанном порядке.
3. иРНК задаёт последовательность кодонов, тРНК доставляет соответствующие аминокислоты, а рРНК входит в состав рибосомы и участвует в её работе.

Ответ: метионин — аланин — фенилаланин. иРНК несёт запись, тРНК доставляет аминокислоты, рРНК работает в составе рибосомы.

Типичные ошибки

Неверно считать, что ДНК непосредственно собирает белок: она хранит запись, но не является местом сборки белковой цепи. Такую ошибку допускают, смешивая хранение информации и её использование. Проверьте себя: назовите молекулу, которая несёт запись к рибосоме, — это иРНК.

Репликацию иногда путают с транскрипцией, потому что в обоих случаях служит матрицей ДНК. Однако при репликации копируется вся молекула ДНК, а при транскрипции — только её участок и в виде РНК. Для проверки спросите себя, что именно получается в результате: две молекулы ДНК или молекула РНК.

В иРНК ошибочно записывают тимин вместо урацила, перенося правила записи ДНК на другую нуклеиновую кислоту. Чтобы не ошибиться, проверьте, какая именно молекула указана в условии. Если это РНК, в записи должна быть буква У, а не Т.

Ещё одна ошибка — считать, что кодон состоит из двух нуклеотидов или может обозначать несколько аминокислот. Кодон иРНК — это триплет, которому соответствует одна аминокислота либо сигнал остановки. Проверяйте запись, разбивая её на группы по три нуклеотида и сверяясь с таблицей генетического кода.

Связь с другими темами

Для понимания роли нуклеиновых кислот нужны знания о строении нуклеотида и различиях между ДНК и РНК. Также важно правило комплементарности оснований: оно объясняет, как цепь ДНК служит образцом для копирования. Если эти понятия знакомы, легче проследить путь информации от одной молекулы к другой.

Тема связана со строением белков и их биосинтезом: порядок нуклеотидов в конечном счёте задаёт порядок аминокислот. Эти знания пригодятся при изучении наследственности, генетического кода и мутаций. Мутация может изменить последовательность нуклеотидов, а значит, повлиять на записанную информацию.

Что запомнить

• ДНК хранит наследственную информацию.
• Комплементарность оснований обеспечивает точное копирование ДНК.
• Репликация удваивает ДНК, а транскрипция переносит информацию с ДНК на РНК.
• В РНК вместо тимина содержится урацил.
• иРНК переносит информацию о последовательности белка к рибосоме.
• тРНК доставляет аминокислоты, а рРНК входит в состав рибосом.
• При трансляции последовательность кодонов иРНК определяет последовательность аминокислот.