§ 26. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот, состоящий из азотистого основания, моносахарида-пентозы и остатка фосфорной кислоты. Основание хранит химическую «букву» информации, сахар соединяет части молекулы, а фосфат связывает соседние нуклеотиды. Поэтому нельзя называть нуклеотидом соединение только сахара с основанием.

Нуклеиновая кислота — природный полимер, построенный из остатков нуклеотидов, в котором хранится и передаётся наследственная информация. Полимерная цепь может содержать тысячи и миллионы звеньев. Порядок этих звеньев задаёт запись, по которой клетка создаёт нужные молекулы.

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, содержащая дезоксирибозу и основания аденин, гуанин, цитозин и тимин. Её две цепи обычно закручены в двойную спираль. ДНК служит главным долговременным хранилищем наследственной информации клетки.

РНК — рибонуклеиновая кислота, содержащая рибозу и основания аденин, гуанин, цитозин и урацил. Большинство молекул РНК одноцепочечные и могут изгибаться, образуя участки со сложной формой. РНК помогает считывать генетическую информацию и использовать её при синтезе белка.

Как это устроено

Нуклеотид образуется соединением трёх компонентов: основания, пентозы и фосфатной группы. Основание присоединяется к сахару, а фосфат — к одному из гидроксильных остатков пентозы. Когда фосфат связывает сахара двух соседних нуклеотидов, возникает фосфодиэфирная связь и растёт полинуклеотидная цепь.

Первичная структура нуклеиновой кислоты — это последовательность нуклеотидов вдоль цепи. Она важна потому, что разные последовательности несут разные генетические инструкции. У каждого звена есть условные 5'- и 3'-концы, поэтому цепь записывают направленно: от 5'- к 3'-концу.

Две цепи ДНК соединяются не случайно: аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое соответствие называют комплементарностью. Оно формирует одинаковую ширину спирали и позволяет по одной цепи точно восстановить последовательность другой.

Цепи ДНК антипараллельны: если одна идёт от 5'- к 3'-концу, соседняя направлена от 3'- к 5'-концу. Между основаниями возникают водородные связи — слабые по отдельности, но многочисленные в целой молекуле. Их избирательность объясняется взаимным расположением атомов, способных отдавать и принимать водородные связи: у пары А–Т их две, у пары Г–Ц — три.

ДНК приспособлена к длительному хранению информации благодаря двойной цепи и химической устойчивости дезоксирибозы. РНК менее стабильна, зато её гибкая одноцепочечная структура удобна для временной передачи и выполнения различных задач. Информационная РНК переносит сведения о белке к рибосоме, транспортная доставляет аминокислоты, а рибосомная входит в состав рибосом и участвует в их работе.

Сравнение ДНК и РНК

Таблицу удобно читать по строкам: каждая строка сравнивает один признак двух молекул. При решении задач сначала определяйте, о какой кислоте идёт речь, по сахару и набору оснований. Затем связывайте строение с функцией: устойчивость ДНК объясняет её роль хранилища, а гибкость РНК — разнообразие её рабочих ролей.

Разбор задач

Задача 1. Определить состав нуклеотида ДНК и назвать продукты его полного гидролиза. Нужно не смешивать нуклеотид с нуклеозидом: последний содержит только сахар и основание. Полный гидролиз разрывает связи между всеми тремя составными частями.

1. Выделяем обязательные части нуклеотида: остаток фосфорной кислоты, дезоксирибозу и одно из оснований ДНК.
2. Учитываем возможное основание: это аденин, гуанин, цитозин или тимин.
3. Записываем продукты полного гидролиза: фосфорная кислота, дезоксирибоза и соответствующее азотистое основание.

Ответ: нуклеотид ДНК состоит из основания, дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты; продукты гидролиза — фосфорная кислота, дезоксирибоза и аденин, гуанин, цитозин или тимин в зависимости от исходного нуклеотида.

Задача 2. Для фрагмента 5'-А–Г–Ц–Т–А-3' записать комплементарную цепь и указать её направление. Сначала подбираем основания напротив каждого символа, затем разворачиваем направление второй цепи, потому что цепи ДНК антипараллельны.

1. Заменяем А на Т, Г на Ц, Ц на Г, Т на А, А на Т.
2. Получаем последовательность парной цепи: Т–Ц–Г–А–Т.
3. Записываем её от противоположного конца: 3'-Т–Ц–Г–А–Т-5'.

Ответ: комплементарная цепь имеет вид 3'-Т–Ц–Г–А–Т-5'.

Задача 3. В фрагменте ДНК 120 пар нуклеотидов, из них 30 пар — А–Т. Определим число водородных связей. В паре А–Т две связи, а оставшиеся пары являются Г–Ц и дают по три связи.

1. Находим число пар Г–Ц: 120 − 30 = 90.
2. Считаем связи в парах А–Т: 30 · 2 = 60.
3. Считаем связи в парах Г–Ц: 90 · 3 = 270, затем складываем: 60 + 270 = 330.

Ответ: во фрагменте образуется 330 водородных связей.

Типичные ошибки

Нуклеотид иногда считают состоящим только из основания и сахара. Так происходит из-за смешения с нуклеозидом. Проверьте себя: в полном составе обязательно должны быть три части, включая остаток фосфорной кислоты.

Тимин и урацил нередко путают, потому что оба относятся к пиримидиновым основаниям. Тимин характерен для ДНК, а урацил — для РНК. При проверке сначала определите сахар: дезоксирибоза укажет на ДНК, рибоза — на РНК.

Комплементарную цепь записывают в том же направлении, что и исходную. Причина ошибки — подбор оснований выполнен верно, но направление забыто. После составления пары обязательно поставьте у концов обозначения 5' и 3' в обратном порядке.

Иногда считают, что любая пара оснований имеет одинаковое число водородных связей. Это приводит к неверному подсчёту в задачах. Запомните проверку: А–Т дают две связи, Г–Ц — три.

Связь с другими темами

Для понимания нуклеотидов нужны знания о строении углеводов, фосфорной кислоте, сложных эфирах и азотсодержащих органических соединениях. Эти темы помогают увидеть, как отдельные части соединяются в устойчивую молекулу.

Нуклеотиды необходимы при изучении генетического кода, репликации ДНК, транскрипции и биосинтеза белка. Последовательность оснований становится основой передачи инструкции от ДНК к белку.

Строение нуклеотидов связано также с АТФ и энергетическим обменом. Нуклеотидные фрагменты участвуют не только в хранении информации, но и в переносе энергии и регуляции клеточных процессов.

Что запомнить

• Нуклеотид состоит из азотистого основания, пентозы и остатка фосфорной кислоты.
• ДНК содержит дезоксирибозу и тимин, а РНК — рибозу и урацил.
• Нуклеотиды в цепи соединены фосфодиэфирными связями.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Две цепи ДНК антипараллельны и образуют двойную спираль.
• Последовательность нуклеотидов хранит наследственную информацию.
• РНК участвует в передаче и реализации генетической информации.