Нуклеїнові кислоти – це біополімери з нуклеотидів, а кожен нуклеотид складається з азотистої основи, пентози і залишку фосфатної кислоти. Спадкову інформацію ДНК зберігає завдяки принципу комплементарності: аденін завжди зʼєднується з тиміном двома водневими звʼязками, а гуанін із цитозином – трьома.
На відміну від інших тем блоку, ця регулярно приносить розрахункові задачі: на кількість нуклеотидів, водневих звʼязків чи молекул дезоксирибози. Тему розбирають на курсі біології KEVIN.
🔑 Ключові формули
Нуклеотид ДНК = азотиста основа (А, Т, Г або Ц) + дезоксирибоза + залишок фосфатної кислоти.
Нуклеотид РНК = азотиста основа (А, У, Г або Ц) + рибоза + залишок фосфатної кислоти.
Комплементарні пари: А-Т (2 водневі звʼязки), Г-Ц (3 водневі звʼязки).
Правило Чаргаффа: кількість А дорівнює кількості Т, кількість Г дорівнює кількості Ц, а сума всіх чотирьох типів дорівнює 100%.
Кожен нуклеотид одного ланцюга ДНК має 1 молекулу дезоксирибози.
Кількість водневих звʼязків = \(2 \cdot N_{AT} + 3 \cdot N_{GC}\).
АТФ – це нуклеотид: аденін + рибоза + 3 залишки фосфатної кислоти, звʼязані макроергічними звʼязками.
\(\text{АТФ} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{АДФ} + \text{H}_3\text{PO}_4 + E\), далі \(\text{АДФ} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{АМФ} + \text{H}_3\text{PO}_4 + E\).
Гідроліз 1 моль АТФ до АДФ вивільняє близько 40 кДж енергії.
Як розв'язувати — покроковий метод
-
1 Крок 1. Визначте комплементарний ланцюг
Замініть кожну літеру заданого ланцюга на комплементарну: А↔Т, Г↔Ц.
-
2 Крок 2. Порахуйте пари А-Т і Г-Ц
Якщо в задачі дано відсоток одного нуклеотиду, скористайтеся правилом Чаргаффа: А = Т, Г = Ц, а сума всіх чотирьох типів дорівнює 100%.
-
3 Крок 3. Порахуйте водневі звʼязки
Кожна пара А-Т дає 2 звʼязки, кожна пара Г-Ц – 3. Помножте кількість пар кожного типу на відповідну кількість звʼязків і додайте результати.
-
4 Крок 4. Порахуйте дезоксирибозу або фосфатну кислоту
У дволанцюговій ДНК кожен нуклеотид в обох ланцюгах має рівно одну молекулу дезоксирибози, тож загальна кількість нуклеотидів дорівнює загальній кількості молекул цукру.
-
5 Крок 5. Перевірте відповідь за правилом Чаргаффа
Сума часток А + Т + Г + Ц завжди має дорівнювати 100%, А завжди дорівнює Т, Г завжди дорівнює Ц. Якщо рівність не сходиться – десь помилка в обчисленнях.
📝 Розбір реальних завдань НМТ
Ділянка молекули ДНК одного з ланцюгів має будову ГЦЦТАТ. Позначте послідовність нуклеотидів цієї ж ділянки в комплементарному ланцюгу:
А) ЦГГАТТ · Б) ТГГАТА · В) ТТАЦГГ · Г) ЦГГАТА
Г, ЦГГАТА.
Замінюємо кожну літеру на комплементарну: Г→Ц, Ц→Г, Т→А, А→Т. Варіант А привертає увагу тим, що перші пʼять літер збігаються, і рука дописує останню за інерцією.
Послідовність нуклеотидів одного з ланцюгів ділянки ДНК така: ГГЦ ТАЦ ГГГ ТТА ЦГГ. Укажіть загальну кількість водневих звʼязків між комплементарними нуклеотидами цієї ділянки:
А) 15 · Б) 30 · В) 40 · Г) 75
В, 40.
У послідовності 7 нуклеотидів Г і 3 нуклеотиди Ц - разом 10 пар Г-Ц по 3 звʼязки, тобто 30. Ще 2 нуклеотиди А і 3 нуклеотиди Т - разом 5 пар А-Т по 2 звʼязки, тобто 10. Сума: 30 + 10 = 40.
Обчисліть частку (%) аденілових нуклеотидів у ділянці молекули ДНК, якщо частка гуанілових нуклеотидів становить 18% від загальної кількості:
А) 18 · Б) 32 · В) 36 · Г) 64
Б, 32.
За правилом Чаргаффа Г = Ц = 18%, разом 36%. Залишок 64% ділиться порівну між А і Т, тож А = Т = 32%. Варіант Г привертає увагу тим, що 64 - це і є залишок, але його ще треба поділити навпіл.
Ділянка молекули ДНК містить 100 аденілових нуклеотидів та 50 цитидилових нуклеотидів. Обчисліть, скільки молекул дезоксирибози входить до складу цього фрагмента ДНК:
А) 100 · Б) 150 · В) 200 · Г) 300
Г, 300.
За правилом Чаргаффа Т = А = 100, Г = Ц = 50, разом на одному ланцюгу 150 нуклеотидів, а на двох комплементарних ланцюгах - 300, і кожен має по одній молекулі дезоксирибози. Варіант Б - це відповідь для одного ланцюга, і саме на ньому губиться множник 2.
⚠️ Типові помилки учнів
Неправильно. Пари фіксовані: А з Т, Г з Ц. Лайфгак від викладачки: «ГуЦул АнТон», тобто Г=Ц і А=Т.
Неправильно, навпаки: у А-Т два звʼязки, а в Г-Ц три. Гуанін і цитозин – надійніша парочка, тому й тримаються трьома звʼязками. Запамʼятайте коротко: «АТ – два», а Г і Ц автоматично отримують три.
Неправильно. У РНК замість тиміну стоїть урацил: набір основ А, У, Г, Ц. Тимін є лише в ДНК, а цитозин є і там, і там.
Неправильно. Усередині одного ланцюга нуклеотиди тримає ковалентний звʼязок, а два ланцюги між собою – водневі. Саме тому ДНК може розплітатися перед реплікацією, не розсипаючись: рветься слабке, зберігається міцне.
Неправильно. АТФ – це нуклеотид: аденін, рибоза і три залишки фосфатної кислоти. Питання про клас сполуки на НМТ трапляється, і правильна відповідь саме «нуклеотид».
ДНК – це ніби швейцарський банк із генетичною інформацією: надійний, і клітина зайвий раз не витягує цінну молекулу зі сховища, з ядра.
Комплементарність – це не про слово «комплімент», це про слово «комплемент», тобто відповідність, і працює вона як пазлик: до кожної деталі підбирається рівно одна відповідна. Гуанін і цитозин у нас така більш надійна парочка, вони тримаються трьома звʼязками, тому можуть довше бути разом.
Мій спосіб не заплутатися в РНК: мРНК – матриця (інструкція), тРНК – транспорт (таксі для амінокислоти), рРНК – рибосома (будівля). Літера на початку назви і є підказкою.
Найпоширеніша помилка – забути, які нуклеотиди формують пару. Тримайте лайфгак: «ГуЦул АнТон», тобто Г=Ц і А=Т. І коротко про звʼязки: «АТ – два», а Г і Ц автоматично отримують три. Достатньо велика кількість питань на НМТ навіть не про конкретні знання, а просто про те, щоб додуматися і не переплутати цю пару чисел.
Означення. Нуклеїнові кислоти – це біополімери з нуклеотидів. Нуклеотид складається з трьох частин: нітрогеновмісної (азотистої) основи, пентози і залишку фосфатної кислоти.
Основи й цукри. Пуринові основи: аденін і гуанін. Піримідинові: тимін, цитозин і урацил. Тимін є лише в ДНК, урацил лише в РНК, а аденін, гуанін і цитозин – і там, і там. Пентоза розрізняє дві кислоти: у ДНК дезоксирибоза, у РНК рибоза. «Дезокси» означає «без кисню»: у дезоксирибозі на один атом Оксигену менше. Залишок фосфатної кислоти зʼєднує нуклеотиди в ланцюг: фосфат одного приєднується до цукру наступного, так утворюється цукрово-фосфатний остов, а основи стирчать усередину.
Будова ДНК. Це подвійна спіраль із двох антипаралельних ланцюгів, зʼєднаних водневими звʼязками за принципом комплементарності: аденін навпроти тиміну (два звʼязки), гуанін навпроти цитозину (три). Усередині одного ланцюга нуклеотиди тримає ковалентний звʼязок, а два ланцюги між собою – водневі, тому ДНК розплітається перед реплікацією і транскрипцією, не розсипаючись.
Ген. Це ділянка молекули ДНК, у якій закодована інформація про один продукт, найчастіше про один поліпептидний ланцюг або молекулу РНК. У еукаріотів ген має мозаїчну будову: значущі ділянки екзони чергуються з незначущими інтронами.
ДНК і РНК. Відрізняються цукром (дезоксирибоза проти рибози), набором основ (Т проти У), кількістю ланцюгів (двоє проти одного) і функцією (зберігання й передача проти реалізації в біосинтезі білка). ДНК переважно в ядрі, а також у мітохондріях і хлоропластах; РНК у ядрі, цитоплазмі, рибосомах. Властивості ДНК: здатність до самоподвоєння за напівконсервативним принципом, здатність до репарації і відносна стабільність.
Типи РНК. мРНК переносить інформацію про послідовність амінокислот з ДНК до рибосоми і утворюється в транскрипції. тРНК доставляє амінокислоти до рибосоми, має вигляд «конюшинного листка»: на одному кінці амінокислота, у петлі антикодон, що комплементарно розпізнає кодон мРНК. рРНК входить до складу рибосом разом з білками.
АТФ. Аденозинтрифосфатна кислота – нуклеотид з аденіну, рибози і трьох залишків фосфатної кислоти. Між залишками є два макроергічні звʼязки, при розриві кожного вивільняється близько 40 кДж на моль. Синтез АТФ з АДФ і фосфату іде за рахунок енергії клітинного дихання і фотосинтезу. «Універсальний» вона тому, що використовується в усіх процесах, де потрібна енергія: активний транспорт через мембрану, мʼязове скорочення, біосинтез білків і нуклеїнових кислот, поділ клітини, робота натрій-калієвого насоса. Клітина не тримає великих запасів АТФ, вона її постійно витрачає і синтезує заново – звідси образ «акумулятор», а не «склад». АТФ – це повністю заряджена батарейка клітини, а АДФ – та сама батарейка, але заряджена лише наполовину.
- Комплементарність – точна відповідність основ у двох ланцюгах: А з Т, Г з Ц, завдяки чому кожен ланцюг відтворює структуру другого.
- Нуклеотид – мономер нуклеїнової кислоти: основа, цукор і залишок фосфатної кислоти.
- Макроергічний звʼязок – звʼязок між залишками фосфатної кислоти в АТФ; при розриві вивільняється близько 40 кДж на моль.
- Реплікація – подвоєння ДНК перед поділом, коли кожен ланцюг слугує матрицею для нового комплементарного.
- У задачі спершу добудуйте другий ланцюг, потім рахуйте пари, і лише потім звʼязки.
- Перевіряйте себе Чаргаффом: А = Т, Г = Ц, сума 100%.
❓ Часті запитання
Скільки водневих звʼязків між А-Т і Г-Ц
Між аденіном і тиміном – два водневі звʼязки, між гуаніном і цитозином – три. Саме тому пара Г-Ц міцніша, і на цій різниці НМТ регулярно будує розрахункові задачі.
Що таке правило Чаргаффа і як ним користуватися
Кількість аденіну завжди дорівнює кількості тиміну, а кількість гуаніну – кількості цитозину. Якщо відомий відсоток одного нуклеотиду, можна обчислити всі інші: спершу знайти його комплементарну пару, а потім розділити залишок відсотків між іншою парою.
Чим ДНК відрізняється від РНК за будовою
ДНК містить дезоксирибозу і чотири основи (А, Т, Г, Ц), найчастіше складається з двох ланцюгів. РНК містить рибозу і замість тиміну має урацил (А, У, Г, Ц), і зазвичай одноланцюгова. РНК має кілька типів: мРНК, рРНК, тРНК.
Що таке АТФ і чому вона важлива
АТФ (аденозинтрифосфат) – універсальна енергетична молекула клітини, побудована з аденіну, рибози і трьох залишків фосфатної кислоти. Розрив звʼязку між останніми залишками фосфату вивільняє близько 40 кДж на моль, і цю енергію клітина використовує для своєї роботи.
Як швидко порахувати молекули дезоксирибози в ДНК
Кожен нуклеотид у будь-якому з двох ланцюгів ДНК має рівно одну молекулу дезоксирибози, тому загальна кількість молекул дезоксирибози завжди дорівнює загальній кількості нуклеотидів в обох ланцюгах разом.