§ 28. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные биополимеры, хранящие, передающие и реализующие наследственную информацию. Иными словами, они содержат сведения о признаках организма и помогают клетке использовать эти сведения. Без нуклеиновых кислот невозможно согласованное сохранение и использование наследственной программы.

Нуклеотид — мономер нуклеиновой кислоты, состоящий из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты. Пентоза — сахар с пятью атомами углерода, а основание входит в состав информационной части молекулы. Нуклеотиды соединяются в цепи, поэтому их последовательность может хранить информацию.

Нуклеозид — соединение азотистого основания с пентозой. Он похож на часть нуклеотида, но не содержит остатка фосфорной кислоты. Различие важно: именно нуклеотиды, а не нуклеозиды, служат мономерами цепи нуклеиновой кислоты.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК) — два основных типа нуклеиновых кислот. Они различаются сахаром, одним из азотистых оснований и обычной организацией цепей. ДНК главным образом хранит информацию, а РНК участвует в её передаче и использовании клеткой.

Как это устроено

В нуклеотиде к пентозе присоединено азотистое основание, а также связан остаток фосфорной кислоты. Основания бывают разными: в ДНК это аденин, тимин, гуанин и цитозин, а в РНК вместо тимина присутствует урацил. Отличается и сахар: дезоксирибоза входит в состав ДНК, рибоза — РНК. Поэтому нуклеотиды различаются либо основанием, либо пентозой, либо обеими частями.

Нуклеотиды соединяются в длинную полинуклеотидную цепь: остаток фосфорной кислоты связывает соседние пентозы. Такая связь называется фосфодиэфирной. Повторяющиеся пентозы и фосфатные остатки образуют сахарофосфатный остов, а основания выступают от него в стороны. Это устройство создаёт прочный каркас и оставляет основаниям возможность задавать последовательность информации.

Молекула ДНК обычно состоит из двух цепей, потому что основания одной цепи образуют водородные связи с основаниями другой. Связи возникают не произвольно: аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Такие соответствующие друг другу основания называют комплементарными. У каждой пары совпадает форма, позволяющая цепям удерживаться рядом, а водородные связи можно разъединить, когда клетке нужно скопировать или прочитать информацию.

ДНК и РНК различаются не только числом цепей. В ДНК сахар — дезоксирибоза, а основание тимин; в РНК сахар — рибоза, а вместо тимина содержится урацил. ДНК обычно образует две цепи, а РНК — одну, хотя её участки могут складываться. Стабильная двухцепочечная структура подходит ДНК для длительного хранения наследственных сведений, а разнообразные формы РНК помогают выполнять отдельные клеточные задачи.

ДНК хранит последовательность наследственной информации, а РНК помогает передать и реализовать её. Одни виды РНК переносят сведения от ДНК к месту синтеза белка, другие входят в состав этого клеточного механизма или помогают соединять аминокислоты. В результате информация, записанная последовательностью нуклеотидов, используется для создания белков. Белки, в свою очередь, выполняют множество функций и влияют на свойства клетки.

Сравнение ДНК и РНК

Сравнивайте ДНК и РНК сразу по нескольким признакам: сахар и набор оснований помогают определить тип молекулы, а число цепей — её обычную организацию. Последние три вида в таблице — основные виды РНК, отличающиеся участием в синтезе белка. Роль указывает, как строение каждой молекулы связано с работой клетки.

Разбор задач

1. Состав нуклеотида ДНК

Задача. Укажите части нуклеотида ДНК и назовите сахар, входящий в его состав. Чтобы не перепутать нуклеотид с нуклеозидом, нужно проверить, есть ли в составе фосфатный остаток. Сахар определяем по типу нуклеиновой кислоты: для ДНК это дезоксирибоза.

1. Нуклеотид включает азотистое основание, пентозу и остаток фосфорной кислоты.
2. В нуклеотиде ДНК пентозой является дезоксирибоза.
3. Основанием может быть аденин, тимин, гуанин или цитозин; чтобы указать конкретное, нужны дополнительные данные.

Ответ: нуклеотид ДНК состоит из азотистого основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

2. Комплементарная цепь

Задача. Для фрагмента одной цепи ДНК А–Г–Т–Ц запишите последовательность комплементарной цепи. Последовательно заменяем каждый нуклеотид на его пару: А — Т, Г — Ц, Т — А, Ц — Г. Порядок позиций сохраняем, поскольку каждую букву сопоставляем с основанием напротив неё.

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

Ответ: Т–Ц–А–Г. Если требуется показать направление цепей, учитывайте, что две цепи ДНК ориентированы противоположно; в этой задаче направление не задано.

3. Состав фрагмента ДНК

Задача. В двуцепочечном фрагменте ДНК 120 нуклеотидов, из них 30 содержат аденин. Определите число нуклеотидов каждого типа и число пар оснований. Сначала используем комплементарность: сколько нуклеотидов А, столько и Т. Затем из общего количества вычтем сумму А и Т, а оставшееся количество поровну распределим между Г и Ц.

1. Аденинов 30, значит, тиминов тоже 30.
2. На Г и Ц остаётся 120 − 30 − 30 = 60 нуклеотидов. Гуанинов 30 и цитозинов 30, потому что в паре Г—Ц их поровну.
3. Всего пар оснований 120 ÷ 2 = 60: каждая пара включает два нуклеотида.

Ответ: А — 30, Т — 30, Г — 30, Ц — 30; пар оснований — 60.

Типичные ошибки

Называть нуклеозид нуклеотидом — значит забыть о фосфатном остатке. Их легко спутать, потому что оба содержат сахар и азотистое основание. Проверьте состав по частям: если остатка фосфорной кислоты нет, это нуклеозид.

Считать, что ДНК и РНК различаются только числом цепей, неверно: у них также разные пентозы и по одному отличающемуся основанию. Такое упрощение возникает, когда внимание сосредоточено на рисунке молекулы. Для самопроверки назовите сахар и все четыре основания каждого типа.

Путаница в парах оснований приводит к неверной записи второй цепи. Запомните пары ДНК: А—Т и Г—Ц; ошибка часто появляется, когда правила пытаются вывести только из порядка букв. Проверяйте каждую позицию отдельно: напротив А должен стоять Т, напротив Г — Ц.

Водородные связи не соединяют соседние нуклеотиды внутри одной цепи: они удерживают друг с другом комплементарные цепи. Внутри цепи нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями. Чтобы проверить себя, спросите, какую структуру описываете: рост цепи или соединение двух цепей между собой.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеиновых кислот пригодятся знания о составе органических веществ и строении моносахаридов: они помогают распознавать части нуклеотида. Также нужно понимать термины «мономер» и «полимер», чтобы представить, как из отдельных звеньев образуется цепь. Позже эти знания помогут разобраться в генетическом коде, синтезе белка, наследственности и биотехнологиях. Во всех этих темах важно понимать, как последовательность нуклеотидов связана с клеточными процессами.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• Нуклеозид состоит только из основания и пентозы.
• В ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК — рибоза.
• В ДНК вместо урацила содержится тимин; в РНК вместо тимина — урацил.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• ДНК хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её реализации.