Нуклеїнові кислоти і АТФ: будова ДНК, РНК та АТФ

Нуклеїнові кислоти — це біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Назва походить від латинського nucleus — «ядро»: 1869 року швейцарський лікар Фрідріх Мішер уперше виділив їх із ядер клітин гною. Сьогодні ми знаємо два типи нуклеїнових кислот: дезоксирибонуклеїнову (ДНК) і рибонуклеїнову (РНК).

Будова нуклеотида

Кожен нуклеотид складається з трьох компонентів:

• азотиста основа (пуринова або піримідинова);

• пентоза — п'ятивуглецевий цукор (дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК);

• залишок фосфатної кислоти (H₃PO₄).

Азотисті основи поділяють на дві групи. Пуринові основи мають два гетероциклічні кільця — це аденін (скорочено А) і гуанін (Г). Піримідинові основи мають одне кільце — це цитозин (Ц), тимін (Т) та урацил (У). У складі ДНК трапляються А, Г, Ц і Т. У складі РНК — А, Г, Ц і У (тимін замінений на урацил).

Як нуклеотиди сполучаються в ланцюг

Нуклеотиди з'єднуються між собою ковалентними фосфодіефірними зв'язками. Зв'язок виникає між пентозою одного нуклеотида й залишком фосфатної кислоти наступного. Так утворюється суцільний цукрово-фосфатний остов, від якого вбік відходять азотисті основи. Кінці полінуклеотидного ланцюга позначають як 5′ (читається «п'ять штрих») і 3′ («три штрих») — за номером атома Карбону в пентозі, до якого приєднаний вільний фосфат або гідроксильна група.

Дезоксирибоза відрізняється від рибози тим, що в неї при другому атомі Карбону замість гідроксильної групи — лише атом Гідрогену. Саме через цю «відсутню» гідроксильну групу кислота й називається дезоксирибонуклеїновою.

1953 року Джеймс Вотсон і Френсіс Крік запропонували модель подвійної спіралі ДНК, спираючись на рентгенограми Розалінди Франклін і Моріса Вілкінса. За цю роботу вони отримали Нобелівську премію. Їхня модель — одна з найважливіших у біології.

Будова подвійної спіралі

Молекула ДНК складається з двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених у праву спіраль навколо спільної осі. Цукрово-фосфатні остови розташовані назовні, а азотисті основи — всередині, наче сходинки гвинтових сходів. Ланцюги антипаралельні: навпроти кінця 5′ одного ланцюга міститься кінець 3′ другого.

Принцип комплементарності

Азотисті основи двох ланцюгів сполучаються за суворим правилом, яке називають принципом комплементарності (доповнення):

• аденін (А) завжди сполучається з тиміном (Т);

• гуанін (Г) завжди сполучається з цитозином (Ц).

Між А і Т утворюються два водневі зв'язки, а між Г і Ц — три. Пуринова основа (А або Г) завжди стоїть навпроти піримідинової (Т або Ц відповідно). Завдяки цьому діаметр спіралі залишається сталим.

Приклад добудови комплементарного ланцюга

Нехай задано ланцюг: 5′-А-Т-Г-Ц-Ц-А-3′. Комплементарний ланцюг добудовуємо так: навпроти А пишемо Т, навпроти Т — А, навпроти Г — Ц, навпроти Ц — Г. Отримуємо: 3′-Т-А-Ц-Г-Г-Т-5′. Напрям запису протилежний, тому що ланцюги антипаралельні.

З принципу комплементарності випливають кількісні співвідношення, відомі як правило Чаргаффа: у молекулі ДНК кількість аденіну дорівнює кількості тиміну (А = Т), а кількість гуаніну — кількості цитозину (Г = Ц). Кількісні задачі на це правило ви розглянете в наступному уроці.

Функції та властивості ДНК

ДНК виконує дві найважливіші функції: зберігає спадкову інформацію в послідовності нуклеотидів і передає її дочірнім клітинам під час поділу. Ген — це ділянка ДНК із певною послідовністю нуклеотидів, яка містить інформацію для утворення функціональної РНК або поліпептидного продукту.

ДНК здатна до самоподвоєння (реплікації) за принципом комплементарності й до виправлення пошкоджень (репарації). Нагрівання розриває водневі зв'язки й розділяє ланцюги — це денатурація ДНК. Після повільного охолодження ланцюги знову з'єднуються за комплементарністю — це ренатурація.

Розташування ДНК у клітині

В еукаріотичних організмів основна маса ДНК міститься в ядрі в складі хромосом. Невелика кільцева ДНК є також у мітохондріях і пластидах (хлоропластах). У прокаріотів (бактерій) ДНК нуклеоїду зазвичай кільцева, крім того, в багатьох бактерій є невеликі додаткові кільцеві молекули ДНК — плазміди.

Рибонуклеїнова кислота (РНК) відрізняється від ДНК кількома ключовими рисами. Зазвичай РНК складається з одного полінуклеотидного ланцюга (хоча в деяких вірусів їх два). Пентоза в РНК — рибоза, а замість тиміну в складі основ — урацил (У). Молекули РНК значно коротші за ДНК.

Утворення РНК на матриці ДНК

Молекули РНК синтезуються на ділянці ДНК за принципом комплементарності, але з однією відмінністю: навпроти аденіну ДНК стає урацил РНК. Пари ДНК → РНК мають такий вигляд: А → У, Т → А, Г → Ц, Ц → Г. Сам процес — транскрипцію — ви докладніше вивчатимете в курсі молекулярної біології.

Типи РНК

У клітині існують три основні типи РНК, кожен зі своєю функцією:

Матрична (інформаційна) РНК — мРНК (іРНК)

мРНК — це копія гена. Вона переносить інформацію про будову білка від ДНК у ядрі до рибосом у цитоплазмі. За послідовністю її нуклеотидів рибосома «читає», яку амінокислоту на якому кроці додавати до білкового ланцюга.

Транспортна РНК — тРНК

тРНК — це короткі молекули (приблизно 70–90 нуклеотидів), які мають характерну форму «листка конюшини». Вони приєднують до себе певну амінокислоту й доставляють її до рибосоми під час синтезу білка. Кожна тРНК має антикодон — триплет нуклеотидів, який комплементарний кодону мРНК.

Рибосомна РНК — рРНК

рРНК разом із білками утворює рибосоми — органели, де відбувається синтез білка. Це найчисельніший тип РНК: рРНК становить близько 80 % усієї РНК клітини.

РНК як носій спадкової інформації

У клітинних організмів (бактерій, архей, еукаріотів) носієм спадкової інформації є ДНК. Однак у багатьох вірусів, зокрема вірусів грипу, кору та ВІЛ, спадкову інформацію зберігає РНК.

Аденозинтрифосфат (АТФ) — це не просто нуклеотид, а головна «енергетична валюта» клітини. Його будова подібна до будови нуклеотида РНК, але з особливістю.

Будова АТФ

Молекула АТФ складається з:

• азотистої основи — аденіну (А);

• пентози — рибози;

• трьох залишків фосфатної кислоти (H₃PO₄).

Між залишками фосфатної кислоти існують два зв'язки, які називають макроергічними (позначають символом ~). Під час їхнього гідролізу (розщеплення за участю води) вивільняється значна кількість енергії. Третій зв'язок — між рибозою й першим фосфатом — звичайний, не макроергічний.

Гідроліз АТФ та енергетичний ефект

Для навчальних задач цього уроку прийнято, що гідроліз одного макроергічного зв'язку вивільняє приблизно 40 кДж/моль. Важливо розуміти: це наближення, а не універсальна константа. Реальний енергетичний ефект залежить від умов у клітині (концентрації речовин, pH, температури). Крім того, енергію вивільняє не сам по собі розрив зв'язку, а сумарна реакція гідролізу.

Реакції гідролізу АТФ:

• АТФ + H₂O → АДФ (аденозиндифосфат) + H₃PO₄ + ≈ 40 кДж/моль;

• АДФ + H₂O → АМФ (аденозинмонофосфат) + H₃PO₄ + ще ≈ 40 кДж/моль.

Зворотна реакція — синтез АТФ з АДФ і фосфатної кислоти — потребує енергії. Вона відбувається переважно в мітохондріях (клітинне дихання), а в рослин — також у хлоропластах (фотосинтез).

Чому АТФ не є запасною речовиною

У клітині міститься дуже мало АТФ — її вистачає лише на кілька секунд активної роботи. АТФ постійно розщеплюється й одразу синтезується знову. Вона є універсальним переносником енергії, а не сховищем. Справжні запасні речовини клітини — це крохмаль (у рослин), глікоген (у тварин) і жири.

Застосування енергії гідролізу АТФ

Енергію, вивільнену під час гідролізу АТФ, клітина використовує для:

• біосинтезу речовин (наприклад, створення білків і нуклеїнових кислот);

• скорочення м'язів;

• активного транспорту речовин через мембрану;

• проведення нервового імпульсу;

• виділення тепла для підтримання температури тіла.

Порівняльна таблиця ДНК, РНК та АТФ

Розв'яжемо кілька типових завдань НМТ на тему нуклеїнових кислот і АТФ.

Приклад 1. Добудова комплементарного ланцюга ДНК

Завдання. Фрагмент одного ланцюга ДНК має послідовність: Г-А-Т-Т-Ц-А. Якою є послідовність комплементарного ланцюга?

Розв'язання. За принципом комплементарності: навпроти Г пишемо Ц, навпроти А — Т, навпроти Т — А, навпроти Ц — Г. Послідовність: Ц-Т-А-А-Г-Т.

Відповідь: Ц-Т-А-А-Г-Т.

Розбір дистракторів. Ц-У-А-А-Г-У — помилка: урацил не входить до складу ДНК, він є тільки в РНК. Г-А-Т-Т-Ц-А — це повтор заданого ланцюга, а не комплементарний. Т-Ц-Г-Г-А-Ц — переплутано пари (наприклад, навпроти Г поставили Т замість Ц).

Приклад 2. Установлення відповідності «ознака — молекула»

Завдання. Установіть відповідність між ознакою (1–4) і молекулою (А–Д).

• 1. Містить рибозу й урацил, приєднує амінокислоту.

• 2. Складається з двох антипаралельних ланцюгів і містить тимін.

• 3. Має два макроергічні зв'язки.

• 4. Разом із білками утворює рибосоми.

Варіанти: А — тРНК, Б — ДНК, В — АТФ, Г — рРНК, Д — мРНК (одна буква зайва).

Розв'язання. Ознака 1: рибоза + урацил указує на РНК, а приєднання амінокислоти — на тРНК. Отже, 1 → А. Ознака 2: два антипаралельні ланцюги й тимін — це ДНК, 2 → Б. Ознака 3: два макроергічні зв'язки — це АТФ, 3 → В. Ознака 4: утворює рибосоми разом із білками — це рРНК, 4 → Г. мРНК (Д) зайва.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В, 4–Г.

Приклад 3. Енергія гідролізу АТФ

Завдання. Вважаючи, що гідроліз одного макроергічного зв'язку вивільняє приблизно 40 кДж/моль, визначте, скільки енергії (у кДж) вивільниться під час гідролізу 1 моль АТФ до АДФ.

Розв'язання. Гідроліз одного макроергічного зв'язку АТФ → АДФ дає ≈ 40 кДж/моль. Другий макроергічний зв'язок (АДФ → АМФ) вивільняє ще ≈ 40 кДж/моль, але в завданні йдеться лише про гідроліз АТФ до АДФ, тобто про один акт. Відповідь: 40 кДж.

Чому відкидаємо інші варіанти? 80 кДж — це енергія гідролізу АТФ до АМФ (рвуться обидва макроергічні зв'язки), а в умові йдеться про гідроліз до АДФ, під час якого рветься лише один. 120 кДж — множення на три залишки фосфатної кислоти, хоча макроергічних зв'язків лише два. 17,6 кДж — переплутано з енергетичною цінністю вуглеводів.

Приклад 4. Аналіз тверджень

Завдання. Оцініть правильність двох тверджень.

• I. До складу нуклеотида РНК входить дезоксирибоза.

• II. Між гуаніном і цитозином у ДНК утворюються три водневі зв'язки.

Розв'язання. Твердження I хибне: до складу РНК входить рибоза, а дезоксирибоза — компонент ДНК. Твердження II правильне: між Г і Ц справді три водневі зв'язки. Отже, правильне лише II.

Відповідь: правильне лише II.

• Ставлять тимін у РНК або урацил у ДНК.

• Запам'ятай: у ДНК — А, Г, Ц, Т; у РНК — А, Г, Ц, У. Урацил не входить до нормального складу ДНК (винятки — ДНК деяких вірусів і урацил, що з'являється внаслідок дезамінування цитозину та вилучається під час репарації).

• Плутають пентози: приписують рибозу ДНК, а дезоксирибозу — РНК.

• Підказка: дезоксирибоза — у «дезокси»рибонуклеїновій кислоті (ДНК), рибоза — у рибонуклеїновій (РНК).

• Вважають АТФ запасною речовиною клітини.

• Пам'ятай: АТФ — переносник енергії, вона постійно синтезується й гідролізується. Запасають енергію крохмаль, глікоген і жири.

• Плутають кількість водневих зв'язків: у парі А–Т їх два, у парі Г–Ц — три.

• Правило: «два зуби» в А–Т, «три зуби» в Г–Ц — пару А–Т утримують два водневі зв'язки, а пару Г–Ц — три.

• Добудовуючи комплементарний ланцюг ДНК, ставлять пару А–У.

• У ДНК завжди А–Т, ніколи А–У. Па́ра А–У утворюється лише за участі РНК: під час транскрипції (ДНК → РНК), під час взаємодії кодону мРНК з антикодоном тРНК і в дволанцюгових ділянках самої РНК. У нормальній дволанцюговій ДНК клітин пари А–У немає.

• Вважають, що в АТФ три макроергічні зв'язки, хоча їх два.

• Між залишками фосфатної кислоти — два зв'язки, обидва макроергічні. Зв'язок між рибозою й першим фосфатом — звичайний, не макроергічний.

• Плутають функції тРНК (доставка амінокислот) і мРНК (копія гена).

• мРНК переносить інформацію, тРНК — амінокислоти. Літера «т» у тРНК — транспортна.

Тема нуклеїнових кислот і АТФ належить до теми 1.2 програми НМТ з біології. Програма вимагає знання будови нуклеотидів, будови й функцій ДНК, принципу комплементарності, поняття гена як послідовності нуклеотидів, властивостей ДНК, типів РНК (мРНК, рРНК, тРНК) та АТФ. Ви маєте вміти порівнювати ДНК і РНК, розрізняти типи РНК за функціями.

Формат завдань на НМТ-2026

У демоваріанті 2026 року завдання № 3 — це вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г) на 1 бал. У ньому перевіряють уміння добудовувати комплементарну послідовність нуклеотидів.

Логічні пари (завдання 25–28) — це формат, у якому до чотирьох тверджень (1–4) треба дібрати відповідник із п'яти варіантів (А–Д). Один варіант зайвий. Така форма чудово підходить для порівняння ДНК, РНК та АТФ. Кожна правильно встановлена пара дає 1 бал, максимум — 4 бали.

Стратегія виконання

Добудовуючи комплементарний ланцюг, пиши під кожним нуклеотидом відповідну пару й лише потім перевіряй варіанти відповідей поелементно. Дистрактор може відрізнятися від ключа лише одним нуклеотидом — будь уважним.

Для завдань на логічні пари спершу прочитай усі варіанти (А–Д), потім кожну ознаку (1–4) і зіставляй. Зайвий варіант не використовуй — він там, щоб заплутати.

• Нуклеотид = азотиста основа + пентоза + залишок фосфатної кислоти.

• ДНК: два антипаралельні ланцюги, дезоксирибоза, основи А, Г, Ц, Т.

• РНК: один ланцюг, рибоза, основи А, Г, Ц, У.

• Принцип комплементарності: А–Т (два водневі зв'язки), Г–Ц (три водневі зв'язки).

• мРНК (іРНК) — копія гена, переносить інформацію до рибосом.

• тРНК — доставляє амінокислоти до рибосоми, має форму «листка конюшини».

• рРНК — складник рибосом, становить близько 80 % РНК клітини.

• АТФ = аденін + рибоза + 3 залишки фосфатної кислоти; два макроергічні зв'язки.

• Для навчальних задач: гідроліз АТФ → АДФ дає умовно ≈ 40 кДж/моль; реальне значення залежить від умов.

• АТФ — переносник енергії, а не запасна речовина. Запасні речовини — крохмаль, глікоген, жири.