Основні теми НМТ з біології. Тема 5: нуклеїнові кислоти й АТФ

Корисні матеріали

Основна теорія про ДНК, РНК та АТФ для НМТ: нуклеотиди, комплементарність, правило Чаргаффа, транскрипція, реплікація й розрахункові задачі.

Конспект для НМТ про нуклеїнові кислоти й АТФ. Теми розміщено за першою появою понять у завданнях: від складу молекул і роботи АТФ до комплементарності, транскрипції, методів дослідження та розрахункових задач.

Тема 5. Нуклеїнові кислоти й АТФ

1. ДНК, АТФ та основні групи органічних речовин

ДНК — нуклеїнова кислота, що зберігає й передає спадкову інформацію. Її мономер — нуклеотид. АТФ також є нуклеотидом, але виконує передусім енергетичну функцію. Білки побудовані з амінокислот, а полісахариди — із залишків моносахаридів.

Кожен нуклеотид містить нітрогеновмісну основу, пентозу й фосфат. У ДНК пентоза — дезоксирибоза, основи — аденін, тимін, гуанін і цитозин. У РНК міститься рибоза, а замість тиміну — урацил.

Порівняння нуклеотидів ДНК із дезоксирибозою та РНК із рибозою — Нуклеотиди ДНК і РНК відрізняються цукром та однією нітрогеновмісною основою

2. Будова АТФ і використання її енергії

АТФ — аденозинтрифосфат. Вона складається з аденіну, рибози й трьох фосфатних груп. Між сусідніми фосфатними групами містяться макроергічні зв’язки. Під час гідролізу АТФ до АДФ і фосфату енергія вивільняється, а не синтезується.

АТФ забезпечує активний транспорт крізь мембрани.
Енергія АТФ потрібна для руху, біосинтезу й поділу клітин.
Натрій-калієвий насос витрачає АТФ і переносить 3 Na⁺ із клітини та 2 K⁺ у клітину проти градієнтів концентрації.
АМФ не має макроергічних зв’язків, АДФ має один, АТФ — два.

Натрій-калієвий насос використовує енергію АТФ для перенесення трьох йонів натрію назовні та двох йонів калію всередину — Активний транспорт відбувається завдяки гідролізу АТФ

Макроергічні зв’язки: де вони є та скільки їх

Макроергічним називають зв’язок, під час гідролізу якого вивільняється багато енергії. У шкільних завданнях рахують фосфоангідридні зв’язки між сусідніми фосфатними групами: в АМФ одна фосфатна група й 0 макроергічних зв’язків; в АДФ дві групи й 1 такий зв’язок; в АТФ три групи й 2 зв’язки.

У звичайному нуклеотиді ДНК або РНК одна фосфатна група, тому таких зв’язків немає. У полінуклеотидному ланцюзі нуклеотиди сполучені фосфодіестерними зв’язками: їх не вважають макроергічними в завданнях НМТ. РНК і ДНК зберігають та реалізують інформацію, а не є універсальними акумуляторами енергії.

Порівняння молекул АМФ, АДФ та АТФ з однією, двома й трьома фосфатними групами — АМФ має 0, АДФ — 1, АТФ — 2 макроергічні зв’язки

3. Як розрізняти біологічні молекули

Білки: колаген, інтерферон, інсулін, актин, фібриноген; мономери — амінокислоти.
Вуглеводи: глікоген, целюлоза й хітин — полісахариди; сахароза — дисахарид.
Ліпіди: воски, холестерол і стероїдні гормони.
Нуклеїнові кислоти: ДНК і РНК; їхні мономери — нуклеотиди.
Нітрогеновмісні основи: тимін і урацил; моносахариди: рибоза й дезоксирибоза.

Полінуклеотид, амінокислота, нуклеотид і жир

Полінуклеотид — довгий ланцюг із повторюваних нуклеотидів; так побудовані ДНК і РНК.
Амінокислота має аміногрупу –NH₂, карбоксильну групу –COOH і змінний радикал.
Нуклеотид складається з фосфату, пентози та нітрогеновмісної основи.
Нейтральний жир складається з гліцеролу й трьох залишків жирних кислот; на схемі його впізнають за трьома довгими вуглеводневими «хвостами».

Порівняння полінуклеотидного ланцюга, амінокислоти, окремого нуклеотиду та молекули нейтрального жиру — Форма й склад допомагають розрізнити чотири типи органічних молекул

Як зіставляти речовину й будову

Спочатку знайдіть унікальну ознаку. Гемоглобін і актин — білки, тому їхні мономери — амінокислоти. Глікоген і целюлоза — полісахариди із залишків глюкози. Сахароза — дисахарид із глюкози та фруктози. АТФ містить рибозу й три фосфатні групи. ДНК містить тимін. Після однозначних ознак перевіряйте решту варіантів.

4. Комплементарність ДНК і водневі зв’язки

Два ланцюги ДНК утримуються водневими зв’язками між комплементарними основами. Аденін сполучається лише з тиміном двома водневими зв’язками, гуанін — із цитозином трьома. Тому навпроти послідовності ГЦЦТАТ міститься ЦГГАТА.

Підрахунок зв’язків: кількість пар А–Т множать на 2, кількість пар Г–Ц — на 3, потім додають результати. Рахувати треба основи одного ланцюга: кожна з них утворює одну пару.

Комплементарні пари основ у двох ланцюгах ДНК із двома й трьома водневими зв’язками — А–Т утворює два водневі зв’язки, Г–Ц — три

Як рахувати водневі зв’язки за послідовністю

Для ланцюга ГГЦ ТАЦ ГГГ ТТА ЦГГ порахуємо основи одного ланцюга: Г і Ц трапляються 10 разів, А і Т — 5 разів. Кожна пара Г–Ц дає 3 зв’язки, кожна А–Т — 2. Отримуємо: 10 × 3 + 5 × 2 = 40 водневих зв’язків.

Якщо подано рисунок, обведіть кожну пару основ і визначте її тип. Можна або скласти показані пунктирні зв’язки, або використати формулу 2 × кількість пар А–Т + 3 × кількість пар Г–Ц. Не множте результат іще на два: кожна пара вже містить основи обох ланцюгів.

5. Де міститься ДНК у клітинах

В еукаріотів основна ДНК міститься в ядрі. Власні кільцеві молекули ДНК також є в мітохондріях і пластидах. У прокаріотів кільцева ДНК розташована в нуклеоїді цитоплазми; додаткові невеликі кільця ДНК називають плазмідами.

Кільцева ДНК у нуклеоїді бактерії, мітохондрії та хлоропласті, а також сполучення липких кінців — Кільцева ДНК трапляється в прокаріотів, мітохондріях і пластидах

6. Мономери біополімерів і хімічний склад

ДНК і РНК — полінуклеотиди. ДНК може містити тимідиловий нуклеотид, РНК — урациловий. АТФ містить атоми Нітрогену в аденіні та Фосфору у фосфатних групах. Ці два елементи відрізняють її від глюкози, глікогену й піровиноградної кислоти, що складаються переважно з C, H та O.

Нітроген і Фосфор у складі молекул

В АТФ Нітроген входить до складу аденіну, а Фосфор — до складу трьох фосфатних груп. Тому серед пірувату, глікогену, глюкози й АТФ обидва елементи містить АТФ. Глюкоза, глікоген і піруват складаються з Карбону, Гідрогену й Оксигену та не містять Фосфору у своїй звичайній формулі.

7. Правило Чаргаффа й задачі на відсотки

Для дволанцюгової ДНК виконується: А = Т, Г = Ц, А + Т + Г + Ц = 100%. Якщо Г = 42%, то Ц = 42%, на А і Т залишається 16%, отже А = Т = 8%. Якщо Т = 42%, то А = 42%, а Г = Ц = 8%.

За відомою часткою однієї основи одразу запишіть частку комплементарної.
Відніміть їхню суму від 100%.
Поділіть залишок порівну між другою комплементарною парою.

Приклад: гуанін становить 42%

Якщо гуанілових нуклеотидів 42%, то цитидилових також 42%. Разом Г + Ц = 84%. На аденілові й тимідилові залишається 100% − 84% = 16%. Їхні кількості рівні, тому Т = 16% ÷ 2 = 8% і А = 8%.

Коротка формула для таких задач: якщо відома частка Г, то Т = (100% − 2Г) ÷ 2. Вона застосовна лише до дволанцюгової ДНК.

8. РНК: види, будова та функції

РНК зазвичай одноланцюгова й містить рибозу, аденін, гуанін, цитозин та урацил. мРНК переносить інформацію від ДНК до рибосоми; тРНК доставляє амінокислоти й має антикодон; рРНК входить до складу рибосом і бере участь в утворенні пептидного зв’язку.

Ознаки транспортної РНК

тРНК — один полінуклеотидний ланцюг, що складається у «листок конюшини», а в просторі — у Г-подібну форму;
у її нуклеотидах містяться рибоза й урацил;
на одному кінці приєднується певна амінокислота;
в антикодоновій петлі міститься триплет — антикодон, комплементарний кодону мРНК;
тРНК працює переважно в цитоплазмі та на рибосомі під час трансляції;
головна функція — доставити потрібну амінокислоту до рибосоми.

Конюшиноподібна вторинна й Г-подібна просторова структура транспортної РНК з амінокислотою та антикодоном біля рибосоми — тРНК переносить амінокислоту й розпізнає кодон мРНК своїм антикодоном

9. Транскрипція та читання послідовностей

Транскрипція — синтез РНК на матричному ланцюзі ДНК. РНК-полімераза розкриває ділянку ДНК і приєднує РНК-нуклеотиди за принципом комплементарності: ДНК А → РНК У, ДНК Т → РНК А, Г → Ц, Ц → Г. Кодуючий ланцюг ДНК збігається з мРНК за послідовністю, крім заміни Т на У.

РНК-полімераза розкриває ДНК і синтезує комплементарну одноланцюгову РНК — Під час транскрипції інформація з матричного ланцюга ДНК переписується в РНК

10. Реплікація ДНК і метод мічених атомів

Реплікація — подвоєння ДНК перед поділом клітини. Кожен початковий ланцюг слугує матрицею для нового, тому процес називають напівконсервативним. Мічений тимідиловий нуклеотид уключається саме в ДНК, бо тимін характерний для ДНК, а не РНК. Зростання радіоактивної мітки показує періоди інтенсивного синтезу ДНК.

До яких молекул уключається тимідиловий нуклеотид

Тимідиловий нуклеотид містить тимін і дезоксирибозу, тому є мономером ДНК. Під час реплікації мічений тимідиловий нуклеотид уключається в нові ланцюги ДНК. У РНК замість тиміну міститься урацил, тому тимідиловий нуклеотид до нормальної РНК не входить. Білки й ліпіди взагалі побудовані не з нуклеотидів.

11. Ферменти нуклеїнових кислот і липкі кінці

Ферменти специфічні до субстрату: ДНКаза розщеплює ДНК, РНКаза — РНК, лактаза — лактозу, ліпаза — жири, трипсин — білки. Рестриктази розрізають ДНК у певних послідовностях і можуть утворювати одноланцюгові виступи — липкі кінці. Комплементарні липкі кінці сполучають фрагменти, а ДНК-лігаза закріплює цукрофосфатний остов.

12. Алгоритм розв’язування типових завдань НМТ

Визначте молекулу за трьома ознаками: мономер, цукор і характерна основа.
Для другого ланцюга ДНК замінюйте А↔Т і Г↔Ц; для РНК навпроти А матриці ставте У.
Під час підрахунку водневих зв’язків використовуйте 2 для А–Т і 3 для Г–Ц.
Для відсотків застосовуйте рівності А=Т і Г=Ц.
У задачах про АТФ розрізняйте накопичення енергії під час синтезу та її вивільнення під час гідролізу.
У задачах про гени пам’ятайте: один кодон містить три нуклеотиди, але враховуйте, запитують один ланцюг ДНК чи всю дволанцюгову молекулу.

Для самоперевірки: завдання про нуклеїнові кислоти й АТФ на сайті ЗНО.Освіта.UA. Конспект CLEVER створено самостійно й він не відтворює тест повністю.