62

Розділ 3. Днк

They are in you and me; they created us, body and mind; and their preservation is the ultimate rational for our existence.

R. Dawkins

"The selfish gene"

Хімічна будова нуклеїнових кислот Нуклеотиди

Мономерна одиниця нуклеїнової кислоти – нуклеотид – складається з трьох елементів: азотиста основа, пентозний цукор, залишок фосфорної кислоти.

Рис. 3.1. Азотисті основи. Червоним позначено атом N, з’єднаний у нуклеотоді з С1' атомом пентози.

Азотисті основи – гетероциклічні сполуки (рис. 3.1), в кільцях яких містяться карбон та азот, а усі зв’язки мають характер частково подвійних. До складу нуклеїнових кислот входять два типи азотистих основ: пурини (purines, загальноприйняте позначення R) – аденін (A) та гуанін (G); та піримидини (pyrimidines, Y) – урацил (U), тимін (T), цитозин (C). Загальне позначення для усіх основ – N.

Найбільш суттєвими для структури нуклеїнових кислот та їх взаємодій з іншими молекулами є наступні властивості азотистих основ:

• Оскільки усі зв’язки у кільці – частково подвійні, азотисті основи є планарними – усі атоми кільця лежать практично в одній площині.

• Атоми азоту кільця, та приєднані до кільця атоми оксигену є акцепторами, а NH₂-групи – донорами водневого зв’язку. Але водночас, площина кільця є гідрофобною, і азотисті основи погано розчиняються у воді.

Один з атомів азоту кільця (виділено червоним на рис. 3.1) приєднується у складі нуклеотида до карбону пентозного цукру глікозидним зв'язком (рис. 3.2). Цей атом пентози позначається як С1' (символ ' прийнято додавати, щоб відрізняти атоми фуранозного кільця пентози від атомів азотистої основи). Інші С'-атоми пентози нумеруються далі по порядку їх розташування (рис. 3.2). До 3'-атому завжди приєднана ОН-група. Пентоза, у складі якої ОН-група знаходиться також при 2'-атомі, називається рибозою (ribose). Пентоза іншого типу, яка також входить до складу нуклеїнових кислот – дезоксирибоза (deoxyribose) – відрізняється лише заміною цієї ОН-групи на атом гідрогену.

Сполука азотистої основи та пентози називається нуклеозидом (у залежності від типу азотистої основи: аденозин, гуанозин, цитидин, тимідин, уридин) або також, у залежності від типу пентози, рибо- чи дезоксирибонуклеозидом. Рибонуклеозиди входять до складу РНК – рибонуклеїнової кислоти (ribonucleic acid, RNA), дезоксирибонуклеозиди – до складу ДНК – дезоксирибонуклеїнової кислоти (deoxyribonucleic acid, DNA). Інша хімічна різниця між ДНК та РНК стосується складу піримідинових азотистих основ: T в ДНК замість U в РНК.

Рис. 3.2. Нуклеотид.

Фосфорилювання нуклеозида по ОН-групі при 5'-атомі пентози призводить до утворення нуклеотида (рис. 3.2). Найбільш важливою для нуклеїнових кислот властивістю фосфатного залишку є негативний заряд, який він має за нейтральних рН. Таким чином, нуклеотид є нуклеозидфосфатом або нуклеозидмонофосфатом (NMP). Зокрема, нуклеотид на рис 3.2 є аденозинмонофосфатом (АМР), з відповідним трифосфатом АТР ми вже зустрічалися у розділі 2 (див. рис. 2.20).

Рис. 3.3. Дві переважні конформації пентозного кільця в складі нуклеїнових кислот.

На відміну від азотистих основ, пентози і фосфатні залишки є цілком полярними і добре взаємодіють з водою. Крім того, пентоза не містить подвійних зв’язків. Тому, на відміну від азотистої основи, у фуранозному кільці петози є можливим обертання навкруг зв’язків, і тому воно не є планарним. У складі нуклеїнових кислот переважно зустрічаються дві конформації, схематично показані на рис. 3.3. Конформація С2'-ендо (С2'-атом виходить у бік С5'-атому з площини, що задана атомами С4'–О–С1') є переважною для дезоксирибози. Поява ОН-групи замість гідрогену при С2'-атомі робить цю конформацію неможливою, і для рибози переважною стає конформація С3'-ендо. Перемикання цих двох конформацій суттєво змінює геометрію інших зв’язків у складі нуклеотида і тому лежить в основі перетворень між структурними формами нуклеїнових кислот (див. нижче).

Таким чином, нуклеотид складається з двох елементів, які розрізняються за полярністю та конформаційною рухливістю: 1) полярна й досить гнучка частина – пентозний цукор із фосфатним залишком, причому останній має негативний заряд; 2) жорстка планарна азотиста основа, яка в цілому є неполярною, хоча й містить донорні та акцепторні групи.