Основные темы НМТ по биологии. Тема 5: нуклеиновые кислоты и АТФ

Полезные материалы

Основная теория о ДНК, РНК и АТФ для НМТ: нуклеотиды, комплементарность, правило Чаргаффа, транскрипция, репликация и расчётные задачи.

Конспект для НМТ о нуклеиновых кислотах и АТФ. Темы расположены по первому появлению понятий в заданиях: от состава молекул и работы АТФ до комплементарности, транскрипции, методов исследования и расчётных задач.

Тема 5. Нуклеиновые кислоты и АТФ

1. ДНК, АТФ и основные группы органических веществ

ДНК — нуклеиновая кислота, которая хранит и передаёт наследственную информацию. Её мономер — нуклеотид. АТФ тоже является нуклеотидом, но выполняет прежде всего энергетическую функцию. Белки построены из аминокислот, а полисахариды — из остатков моносахаридов.

Каждый нуклеотид содержит азотистое основание, пентозу и фосфат. В ДНК пентоза — дезоксирибоза, основания — аденин, тимин, гуанин и цитозин. В РНК содержится рибоза, а вместо тимина — урацил.

Сравнение нуклеотидов ДНК с дезоксирибозой и РНК с рибозой — Нуклеотиды ДНК и РНК отличаются сахаром и одним азотистым основанием

2. Строение АТФ и использование её энергии

АТФ — аденозинтрифосфат. Она состоит из аденина, рибозы и трёх фосфатных групп. Между соседними фосфатными группами находятся макроэргические связи. При гидролизе АТФ до АДФ и фосфата энергия освобождается, а не синтезируется.

АТФ обеспечивает активный транспорт через мембраны.
Энергия АТФ нужна для движения, биосинтеза и деления клеток.
Натрий-калиевый насос расходует АТФ и переносит 3 Na⁺ из клетки и 2 K⁺ в клетку против градиентов концентрации.
АМФ не имеет макроэргических связей, АДФ имеет одну, АТФ — две.

Натрий-калиевый насос использует энергию АТФ для переноса трёх ионов натрия наружу и двух ионов калия внутрь — Активный транспорт осуществляется за счёт гидролиза АТФ

Макроэргические связи: где они есть и сколько их

Макроэргической называют связь, при гидролизе которой освобождается много энергии. В школьных заданиях считают фосфоангидридные связи между соседними фосфатными группами: у АМФ одна фосфатная группа и 0 макроэргических связей; у АДФ две фосфатные группы и 1 такая связь; у АТФ три фосфатные группы и 2 связи.

В обычном нуклеотиде ДНК или РНК одна фосфатная группа, поэтому таких связей нет. В полинуклеотидной цепи нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями: их не считают макроэргическими в заданиях НМТ. РНК и ДНК служат для хранения и реализации информации, а не универсальным аккумулятором энергии.

Сравнение молекул АМФ, АДФ и АТФ с одной, двумя и тремя фосфатными группами — АМФ имеет 0, АДФ — 1, АТФ — 2 макроэргические связи

3. Как различать биологические молекулы

Белки: коллаген, интерферон, инсулин, актин, фибриноген; мономеры — аминокислоты.
Углеводы: гликоген, целлюлоза и хитин — полисахариды; сахароза — дисахарид.
Липиды: воски, холестерол и стероидные гормоны.
Нуклеиновые кислоты: ДНК и РНК; их мономеры — нуклеотиды.
Азотистые основания: тимин и урацил; моносахариды: рибоза и дезоксирибоза.

Полинуклеотид, аминокислота, нуклеотид и жир

Полинуклеотид — длинная цепь из повторяющихся нуклеотидов; так построены ДНК и РНК.
Аминокислота имеет аминогруппу –NH₂, карбоксильную группу –COOH и переменный радикал.
Нуклеотид состоит из фосфата, пентозы и азотистого основания.
Нейтральный жир состоит из глицерина и трёх остатков жирных кислот; на схеме узнаётся по трём длинным углеводородным «хвостам».

Сравнение полинуклеотидной цепи, аминокислоты, отдельного нуклеотида и молекулы нейтрального жира — Форма и состав помогают различить четыре типа органических молекул

Как сопоставлять вещество и строение

Сначала найдите уникальный признак. Гемоглобин и актин — белки, поэтому их мономеры — аминокислоты. Гликоген и целлюлоза — полисахариды из остатков глюкозы. Сахароза — дисахарид из глюкозы и фруктозы. АТФ содержит рибозу и три фосфатные группы. ДНК содержит тимин. После однозначных признаков проверяйте оставшиеся варианты.

4. Комплементарность ДНК и водородные связи

Две цепи ДНК удерживаются водородными связями между комплементарными основаниями. Аденин соединяется только с тимином двумя водородными связями, гуанин — с цитозином тремя. Поэтому напротив последовательности ГЦЦТАТ находится ЦГГАТА.

Подсчёт связей: число пар А–Т умножают на 2, число пар Г–Ц — на 3, затем складывают результаты. Считать нужно основания одной цепи: каждое из них образует одну пару.

Комплементарные пары оснований в двух цепях ДНК с двумя и тремя водородными связями — А–Т образует две водородные связи, Г–Ц — три

Как считать водородные связи по последовательности

Для цепи ГГЦ ТАЦ ГГГ ТТА ЦГГ посчитаем основания одной цепи: Г и Ц встречаются 10 раз, А и Т — 5 раз. Каждая пара Г–Ц даёт 3 связи, каждая А–Т — 2. Получаем: 10 × 3 + 5 × 2 = 40 водородных связей.

Если дана картинка, обведите каждую пару оснований и определите её тип. Можно либо сложить показанные пунктирные связи, либо использовать формулу 2 × количество пар А–Т + 3 × количество пар Г–Ц. Не умножайте результат ещё на два: каждая пара уже включает основания обеих цепей.

5. Где находится ДНК в клетках

У эукариот основная ДНК находится в ядре. Собственные кольцевые молекулы ДНК также есть в митохондриях и пластидах. У прокариот кольцевая ДНК расположена в нуклеоиде цитоплазмы; дополнительные небольшие кольца ДНК называются плазмидами.

Кольцевая ДНК в нуклеоиде бактерии, митохондрии и хлоропласте, а также соединение липких концов — Кольцевая ДНК встречается у прокариот, в митохондриях и пластидах

6. Мономеры биополимеров и химический состав

ДНК и РНК — полинуклеотиды. ДНК может включать тимидиловый нуклеотид, РНК — урациловый. АТФ содержит атомы Нитрогена в аденине и Фосфора в фосфатных группах. Эти два элемента отличают её от глюкозы, гликогена и пировиноградной кислоты, состоящих преимущественно из C, H и O.

Нитроген и Фосфор в составе молекул

В АТФ Нитроген входит в состав аденина, а Фосфор — в состав трёх фосфатных групп. Поэтому среди пирувата, гликогена, глюкозы и АТФ оба элемента содержит АТФ. Глюкоза, гликоген и пируват состоят из Карбона, Гидрогена и Оксигена и не содержат Фосфора в своей обычной формуле.

7. Правило Чаргаффа и задачи на проценты

Для двухцепочечной ДНК выполняется: А = Т, Г = Ц, А + Т + Г + Ц = 100%. Если Г = 42%, то Ц = 42%, на А и Т остаётся 16%, следовательно А = Т = 8%. Если Т = 42%, то А = 42%, а Г = Ц = 8%.

При известной доле одного основания сразу запишите долю комплементарного.
Вычтите их сумму из 100%.
Разделите остаток поровну между второй комплементарной парой.

Пример: гуанин составляет 42%

Если гуаниловых нуклеотидов 42%, то цитидиловых тоже 42%. Вместе Г + Ц = 84%. На адениловые и тимидиловые остаётся 100% − 84% = 16%. Их количества равны, поэтому Т = 16% ÷ 2 = 8% и А = 8%.

Короткая формула для таких задач: если известна доля Г, то Т = (100% − 2Г) ÷ 2. Она применима только к двухцепочечной ДНК.

8. РНК: виды, строение и функции

РНК обычно одноцепочечна и содержит рибозу, аденин, гуанин, цитозин и урацил. мРНК переносит информацию от ДНК к рибосоме; тРНК доставляет аминокислоты и имеет антикодон; рРНК входит в состав рибосом и участвует в образовании пептидной связи.

Признаки транспортной РНК

тРНК — одна полинуклеотидная цепь, которая складывается в «клеверный лист», а в пространстве — в Г-образную форму;
в её нуклеотидах содержатся рибоза и урацил;
на одном конце присоединяется определённая аминокислота;
в антикодоновой петле находится триплет — антикодон, комплементарный кодону мРНК;
тРНК работает преимущественно в цитоплазме и на рибосоме во время трансляции;
главная функция — доставить нужную аминокислоту к рибосоме.

Клевероподобная вторичная и Г-образная пространственная структура транспортной РНК с аминокислотой и антикодоном у рибосомы — тРНК переносит аминокислоту и распознаёт кодон мРНК своим антикодоном

9. Транскрипция и чтение последовательностей

Транскрипция — синтез РНК на матричной цепи ДНК. РНК-полимераза раскрывает участок ДНК и присоединяет РНК-нуклеотиды по принципу комплементарности: ДНК А → РНК У, ДНК Т → РНК А, Г → Ц, Ц → Г. Кодирующая цепь ДНК совпадает с мРНК по последовательности, кроме замены Т на У.

РНК-полимераза раскрывает ДНК и синтезирует комплементарную одноцепочечную РНК — Во время транскрипции информация с матричной цепи ДНК переписывается в РНК

10. Репликация ДНК и метод меченых атомов

Репликация — удвоение ДНК перед делением клетки. Каждая исходная цепь служит матрицей для новой, поэтому процесс называют полуконсервативным. Меченый тимидиловый нуклеотид включается именно в ДНК, потому что тимин характерен для ДНК, а не РНК. Рост радиоактивной метки показывает периоды интенсивного синтеза ДНК.

Куда включается тимидиловый нуклеотид

Тимидиловый нуклеотид содержит тимин и дезоксирибозу, поэтому является мономером ДНК. Во время репликации меченый тимидиловый нуклеотид включается в новые цепи ДНК. В РНК вместо тимина находится урацил, поэтому тимидиловый нуклеотид в нормальную РНК не включается. Белки и липиды вообще построены не из нуклеотидов.

11. Ферменты нуклеиновых кислот и липкие концы

Ферменты специфичны к субстрату: ДНКаза расщепляет ДНК, РНКаза — РНК, лактаза — лактозу, липаза — жиры, трипсин — белки. Рестриктазы разрезают ДНК в определённых последовательностях и могут образовывать одноцепочечные выступы — липкие концы. Комплементарные липкие концы соединяют фрагменты, а ДНК-лигаза закрепляет сахарофосфатный остов.

12. Алгоритм решения типичных заданий НМТ

Определите молекулу по трём признакам: мономер, сахар и характерное основание.
Для второй цепи ДНК заменяйте А↔Т и Г↔Ц; для РНК напротив А матрицы ставьте У.
При подсчёте водородных связей используйте 2 для А–Т и 3 для Г–Ц.
Для процентов применяйте равенства А=Т и Г=Ц.
В задачах об АТФ различайте накопление энергии при синтезе и её освобождение при гидролизе.
В задачах о генах помните: один кодон содержит три нуклеотида, но учитывайте, спрашивают одну цепь ДНК или всю двухцепочечную молекулу.

Для самопроверки: задания по нуклеиновым кислотам и АТФ на сайте ЗНО.Освіта.UA. Конспект CLEVER создан самостоятельно и не воспроизводит тест целиком.