Строение ДНК
ДНК — молекула, в которой хранится наследственная информация организма. Чтобы понимать ген и геном, важно знать состав ДНК, строение её цепей и правило, по которому основания соединяются друг с другом.
Химический состав ДНК
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, относится к нуклеиновым кислотам. Её мономерами являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид ДНК состоит из трёх частей: остатка фосфорной кислоты, сахара дезоксирибозы и одного азотистого основания.
| Часть нуклеотида | Что представляет собой | Роль |
|---|---|---|
| Фосфатная группа | Остаток фосфорной кислоты | Соединяет соседние нуклеотиды в цепь |
| Дезоксирибоза | Пятиуглеродный сахар | Связывает фосфат и азотистое основание |
| Азотистое основание | Аденин, тимин, гуанин или цитозин | Определяет последовательность генетической информации |
В ДНК встречаются четыре типа азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Аденин и гуанин — пуриновые основания, имеющие два кольца. Тимин и цитозин — пиримидиновые основания, имеющие одно кольцо. Для решения школьных задач обычно достаточно помнить названия, обозначения и пары оснований.
Нуклеотид ДНК — соединение из дезоксирибозы, фосфатной группы и одного азотистого основания. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК задаёт последовательность наследственной информации.
В ДНК төрт основания: А, Т, Г, Ц. Пары комплементарных оснований: А—Т и Г—Ц.
Цепь и двойная спираль
Нуклеотиды соединяются в длинную полинуклеотидную цепь. Соседние нуклеотиды связаны прочными ковалентными связями между фосфатной группой одного нуклеотида и дезоксирибозой следующего. Снаружи такой молекулы располагается сахарофосфатный остов, а основания направлены внутрь.
Молекула ДНК обычно состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Поэтому её называют двойной спиралью. Цепи удерживаются водородными связями между основаниями. Между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три.
Две цепи ДНК антипараллельны: одна направлена от 5′-конца к 3′-концу, а другая — от 3′-конца к 5′-концу. В школьных задачах направление часто не указывают, но оно важно при изучении репликации и синтеза РНК.
Цепи ДНК комплементарны, то есть напротив каждого основания одной цепи находится строго определённое основание другой. Цепи также антипараллельны и соединены водородными связями между основаниями.
Комплементарность и правила расчётов
Комплементарность оснований — это соответствие оснований в двух цепях ДНК. Аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином. Поэтому по последовательности одной цепи можно восстановить последовательность второй.
Если в двухцепочечной молекуле обозначить общее число нуклеотидов за \(N\), то число нуклеотидов каждой пары одинаково: \(n_{А}=n_{Т}\) и \(n_{Г}=n_{Ц}\). Доля аденина равна доле тимина, а доля гуанина — доле цитозина.
Для процентного состава двухцепочечной ДНК действуют равенства: если аденин занимает \(a\%\), то тимин также занимает \(a\%\), а гуанин и цитозин вместе составляют \(100-2a\%\). Каждое из этих двух оснований занимает половину оставшейся доли.
В двухцепочечной ДНК аденин составляет 30% всех нуклеотидов. Какова доля гуанина?
Разобранный пример: процентный состав и число нуклеотидов
Рассмотрим типичную задачу. В двухцепочечной молекуле ДНК содержится 2000 нуклеотидов, из них 400 — адениновые. Найдём число каждого типа нуклеотидов и долю гуанина.
Сначала используем комплементарность: тимина столько же, сколько аденина. Затем вычитаем аденин и тимин из общего числа. Оставшееся количество делим поровну между гуанином и цитозином.
Ответ: аденина — 400, тимина — 400, гуанина — 600, цитозина — 600; доля гуанина равна 30%. Такой порядок действий подходит для задач, где дана общая длина молекулы и количество или процент одного основания.
Длина ДНК и значение последовательности
В задачах может встречаться длина участка ДНК. Расстояние между соседними парами нуклеотидов в двойной спирали принимают примерно равным \(0{,}34\) нм. Если известно число пар нуклеотидов, длину участка находят умножением.
Здесь \(L\) — длина участка ДНК, а \(n\) — число пар нуклеотидов. Если дано число всех нуклеотидов в двух цепях, сначала нужно разделить его на два, чтобы получить число пар.
1. Путают нуклеотиды и пары нуклеотидов: в двух цепях одна пара содержит два нуклеотида. 2. Считают, что А соединяется с Г или Ц — это неверно. 3. Забывают, что равенства \(А=Т\) и \(Г=Ц\) справедливы для двухцепочечной ДНК, но не обязательно для одной изолированной цепи. 4. При расчёте длины используют число всех нуклеотидов вместо числа пар.
Последовательность оснований несёт информацию, а не сами фосфатные группы или сахар. Изменение последовательности может привести к генной мутации. При этом комплементарность сохраняется: если в одной цепи изменилось основание, напротив него при копировании должно появиться соответствующее комплементарное основание.
Проверь себя
Главное
- ДНК состоит из нуклеотидов; каждый нуклеотид включает фосфат, дезоксирибозу и одно из оснований А, Т, Г или Ц.
- Молекула ДНК — двойная спираль из двух антипараллельных цепей; основания направлены внутрь, сахарофосфатный остов — наружу.
- Комплементарные пары: А—Т и Г—Ц. В двухцепочечной ДНК \(n_{А}=n_{Т}\) и \(n_{Г}=n_{Ц}\).
- Число пар нуклеотидов равно половине общего числа нуклеотидов двух цепей; длина участка рассчитывается по формуле \(L=0{,}34\cdot n\) нм.
- Последовательность оснований хранит наследственную информацию и может изменяться при генных мутациях.