АТФ и нуклеиновые кислоты

ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота — биополимер, хранящий наследственную информацию. Мономеры ДНК — дезоксирибонуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из трёх частей: азотистое основание; сахар дезоксирибоза; остаток фосфорной кислоты. ДНК — двуцепочечная молекула: две полинуклеотидные цепи закручены в правую двойную спираль и соединены водородными связями между комплементарными основаниями. Длина одной молекулы ДНК человека, если её растянуть, составляет около 2 метров. В ядре клетки ДНК упакована в хромосомы вместе с белками-гистонами.

В ДНК четыре азотистых основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). В РНК также четыре основания, но вместо тимина — урацил (У): аденин (А), урацил (У), гуанин (Г), цитозин (Ц). Аденин и гуанин — пурины (двухкольцевые структуры). Тимин, цитозин и урацил — пиримидины (однокольцевые). Внимание! ДНК содержит тимин, РНК — урацил. Это одно из трёх ключевых отличий ДНК от РНК, которое проверяют на каждом ЕГЭ.

Принцип комплементарности — строгое соответствие азотистых оснований при образовании двойной спирали ДНК: аденин соединяется только с тимином; гуанин — только с цитозином. Именно эти пары называются комплементарными. Правило Чаргаффа вытекает из принципа комплементарности: в любой молекуле ДНК количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина. То есть А = Т, Г = Ц. Важная деталь: аденин и тимин соединяются двумя водородными связями; гуанин и цитозин — тремя. Внимание! Три связи у пары Г-Ц, две — у пары А-Т. Это важно при решении задач на термостабильность ДНК.

Три ключевых отличия. Первое — количество цепей: ДНК двуцепочечная, РНК одноцепочечная (как правило). Второе — сахар: в ДНК — дезоксирибоза, в РНК — рибоза. Третье — азотистые основания: в ДНК вместо урацила — тимин. Кроме того: ДНК находится преимущественно в ядре (в хромосомах); РНК находится в ядре, рибосомах, цитоплазме. ДНК хранит наследственную информацию и очень стабильна; РНК переносит и реализует информацию, более краткосрочна. Внимание! Это три отличия, которые обязательно проверяют на ЕГЭ — выучи их наизусть.

Выделяют три основных вида РНК. Информационная РНК, она же матричная (иРНК или мРНК): переносит информацию о последовательности аминокислот от ДНК к рибосоме. Синтезируется в ядре при транскрипции, затем выходит в цитоплазму. Транспортная РНК (тРНК): доставляет конкретные аминокислоты к рибосоме в процессе трансляции. Имеет характерную форму «клеверного листа» и несёт антикодон — тройку нуклеотидов, комплементарных кодону иРНК. Рибосомальная РНК (рРНК): входит в состав рибосом — рибосома состоит из рРНК и белков. рРНК обеспечивает структуру рибосомы и участвует в катализе образования пептидных связей. Внимание! Самая многочисленная по массе — рРНК (около 80%). Самая разнообразная по последовательности — иРНК.

АТФ — аденозинтрифосфорная кислота — молекула, служащая основным носителем и источником энергии в клетке. Строение: аденин (азотистое основание) + рибоза (сахар) + три остатка фосфорной кислоты. Между фосфатными группами — макроэргические (высокоэнергетические) связи. При отщеплении одной фосфатной группы АТФ превращается в АДФ (аденозиндифосфат), при этом выделяется около 40 кДж энергии. Эта энергия используется для всех энергозатратных процессов клетки: синтез биомолекул, сокращение мышц, активный транспорт, передача нервных импульсов. АТФ называют «энергетической валютой» клетки: она синтезируется там, где есть избыток энергии, и расходуется там, где нужна энергия.

АТФ синтезируется в ходе двух основных процессов. Первый — клеточное дыхание в митохондриях (окислительное фосфорилирование): при окислении глюкозы с участием кислорода образуется 36 молекул АТФ. Второй — гликолиз в цитоплазме: бескислородное расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты с образованием 2 молекул АТФ. У растений АТФ также синтезируется в ходе световой фазы фотосинтеза в хлоропластах. Синтез АТФ из АДФ и фосфата называется фосфорилированием. Фермент, катализирующий этот процесс, — АТФ-синтаза.

Нуклеотид — мономер нуклеиновых кислот. Состоит из трёх частей: азотистое основание; пятиуглеродный сахар (пентоза): рибоза — в РНК и АТФ; дезоксирибоза — в ДНК; один или несколько остатков фосфорной кислоты. В молекуле ДНК или РНК нуклеотиды соединяются фосфодиэфирными связями: фосфат одного нуклеотида соединяется с сахаром следующего. Так образуется сахарофосфатный остов молекулы. АТФ — это также нуклеотид, но с тремя фосфатными группами (не одной, как в ДНК и РНК).

Репликация — процесс удвоения молекулы ДНК. Происходит в S-периоде интерфазы, перед делением клетки. Принцип: полуконсервативный. Двойная спираль ДНК раскручивается, и каждая цепь служит матрицей для синтеза новой дочерней цепи. Фермент ДНК-полимераза присоединяет новые нуклеотиды по принципу комплементарности: напротив аденина — тимин, напротив гуанина — цитозин. В результате образуются две дочерние молекулы ДНК, каждая из которых состоит из одной старой и одной новой цепи. Репликация происходит одновременно в нескольких точках хромосомы — сайтах начала репликации. Значение: обеспечивает точную передачу генетической информации дочерним клеткам при делении.

Ген — участок молекулы ДНК, несущий информацию об одном белке (или одной функциональной молекуле РНК). Гены расположены в хромосомах в строго определённом порядке. Каждый ген занимает определённый участок хромосомы — локус. У человека около 20 000–25 000 генов, кодирующих белки. Однако гены занимают лишь около 1,5% всей ДНК человека. Остальная ДНК включает регуляторные участки, повторяющиеся последовательности, интроны (некодирующие участки внутри генов). Внимание! Ген — это не вся молекула ДНК и не хромосома, а лишь определённый её участок.

Геном — совокупность всей генетической информации организма, то есть все ДНК клетки (или одного гаплоидного набора хромосом). У человека геном содержится в 46 хромосомах (23 пары). В 2003 году был завершён Проект «Геном человека» — полное прочтение последовательности ДНК человека. Геном разных особей одного вида практически идентичен: у всех людей примерно 99,9% последовательностей ДНК совпадают. Оставшиеся 0,1% обусловливают индивидуальные различия. Геном человека содержит около 3 миллиардов пар нуклеотидов в гаплоидном наборе.

При решении задач по комплементарности используют следующие правила. В ДНК: А комплементарен Т; Г комплементарен Ц. В РНК: А комплементарен У; Г комплементарен Ц. При транскрипции: на матрице ДНК собирается иРНК по тем же правилам, но вместо тимина ставится урацил. Пример задачи: дана цепь ДНК — 3′-АТЦ-ГТА-ЦЦГ-5′. Какова последовательность иРНК? Ответ: 5′-УАГ-ЦАУ-ГГЦ-3′. Важно учитывать: ДНК-полимераза и РНК-полимераза читают матричную цепь в направлении от 3′ к 5′, а синтез идёт в направлении от 5′ к 3′.

Водородная связь — слабое взаимодействие между атомом водорода одной молекулы и электроотрицательным атомом (азотом или кислородом) другой молекулы. Каждая отдельная водородная связь слабее ковалентной в 15–20 раз. Но в молекуле ДНК их очень много — миллиарды. В сумме они обеспечивают прочность двойной спирали ДНК. При нагревании водородные связи разрушаются, и цепи ДНК расходятся — этот процесс называется денатурацией (плавлением) ДНК. Чем больше пар Г-Ц (три связи), тем выше температура плавления. Молекулы ДНК с высоким содержанием Г-Ц более стабильны при нагревании.

Мышечное сокращение — один из главных потребителей АТФ в организме. Миозин (белок толстых нитей мышечного волокна) является АТФ-азой: он расщепляет АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Выделяемая при этом энергия используется для изменения формы миозиновой головки — «гребка», в результате которого нити актина сдвигаются относительно нитей миозина, и мышца укорачивается. При отсутствии АТФ связь между актином и миозином не разрывается — развивается рибор мортис, или трупное окоченение, наблюдаемое после смерти, когда синтез АТФ прекращается.

Внимание! Первая ошибка — путать сахара ДНК и РНК. ДНК — дезоксирибоза; РНК — рибоза. Вторая ошибка — путать тимин и урацил. Тимин — только в ДНК. Урацил — только в РНК. Третья ошибка — считать, что РНК всегда одноцепочечная. Некоторые вирусы имеют двуцепочечную РНК. Четвёртая ошибка — считать, что ДНК находится только в ядре. Митохондрии и хлоропласты тоже содержат собственную кольцевую ДНК (так как произошли от прокариот в ходе эндосимбиоза). Пятая ошибка — путать кодон и антикодон. Кодон — тройка нуклеотидов иРНК. Антикодон — тройка нуклеотидов тРНК, комплементарная кодону.