Тема 13. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) – это биополимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.

Нуклеотид представляет собой трехкомпонентную структуру, состоящую из моносахарида, связанного N-гликозидной связью с гетероциклическим основанием и сложноэфирной связью с ос­татком фосфорной кислоты.

Важнейшими нуклеиновыми кислотами являются дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), моносахаридные компоненты которых представляют собой 2-дезоксирибозу и рибозу соответственно. При гидролизе нуклеотидов в щелочной среде гидролитическому расщеплению подвергается только сложноэфирная связь, и образуются нуклеозиды, состоящие из остатка монозы и основания. Нуклеотиды подвергаются гидролизу только в кислой среде.

Нуклеиновые основания. Являются производными азотсодержащих гетероциклических соединений — пиримидина или пурина. Пиримидиновые основания, выделенные в составе полинуклеотидных цепей ДНК, представлены тимином и цитозином; в составе РНК – урацилом и цитозином. Данные соединения обнаруживают способность к лактим-лактамной таутомерии

Следует отметить, что пиримидиновые основания в составе полинуклеотидов представлены лактамной формой (содержащей карбонильныю группы С=О), что обусловлено возможностью образования водородных связей между остатками оснований в цепях нуклеиновых кислот: тимин – аденин; цитозин – гуанин в ДНК; урацил – аденин и цитозин – гуанин в РНК.

Аденин и гуанин являются представителями пуриновых нуклеиновых оснований. Эти гетероциклические соединения способны к лактим-лактамнойтаутомерии и таутомерии азолов

В лактамной и лактимной гетероциклы имеют ароматический характер и плоское строение. Ароматичность гетероциклов является причиной их высокой термодинамической стабильности.

Нуклеозиды.

Гетероциклические основания образуют N-гликозиды с D-рибозой или 2-дезокси-D-рибозой. В химиии нуклеиновых кислот такие N-гликозиды называют нуклеозидами. D-рибоза и 2-дезокси- D -рибоза в состав природных нуклеозидов входят в фуранозной форме. Гликозидная связь осуществляется между аномерным атомом углерода С-1 рибозы (или дезоксирибозы) и атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований. Природные нуклеозиды всегда b-аномеры.

В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Названия нуклеозидов строятся как для гликозидов, например b- аденинрибофуранозид и т. п. Однако более употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствую­щего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов: цитидин — это соединение цитозина и рибозы; дезоксицитидин — цитозина и дезоксирибозы; аденозин — соединение аденина и рибозы; дезоксицитидин — аденина и дезоксирибозы и т.д. Исключение составляет название тимидин (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином.

Являясь N-гликозидами, нуклеозиды устойчивы к гидролизу а слабощелочной среде, но расщепляются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее. В состав некоторых РНК входят необычные нуклеозиды. Например, довольно часто встречаются рибонуклеозид инозин, который можно рассматривать как продукт дезаминирования аденозина, а также псевдоуридин, который является не N-, а С-гликозидом, с чем связана его высокая устойчивость к гидролизу.

При лечении некоторых опухолевых заболеваний в качестве лекарственных средств используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае – на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин – аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают на разных этапах синтез нуклеиновых кислот в организме.

В клетках в свободном состоянии содержатся некоторые нуклеозиды, не являющиеся компонентами нуклеиновых кислот. Эти нуклеозиды обладают антибиотической активностью и приобретают все большее значение при лечении злокачественных образований. Нуклеозиды-антибиотики отличаются от обычных нуклеозидов некоторыми деталями строения либо углеводной части, либо гетероциклического основания.

Нуклеотиды.

Нуклеотидами называются фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5' или С-3' в остатке рибозы или дезоксирибозы (атомы цикла азотистых оснований нумеруют обычными цифрами, пентозного цикла – цифрами со штрихом). Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), с другой — как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).

За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН » 7 находятся в полностью ионизированном состоянии.

Для нуклеотидов используют два вида названий. Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка (например, аденозин-3'-фосфат, уридин-5'-фосфат), другое строится с добавлением суффикса -овая кислота к названию остатка пиримидинового или пуринового оснований (например, 3'-адениловая или 5'-уридиловая кислота)). По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литературе широко используются их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например, аденозинмонофосфат – AMФ (в латинской транскрипции АМР) для аденозин-5'-фосфата и т.д.

Строение некоторых нуклеотидов:

Строение полинуклеотидов.

Многообразие существующих молекул ДНК и РНК

определяется их первичной структурой – последовательностью

нуклеотидных остатков в составе полимерной цепи, связи в

которой формируются за счет этерификации группы ОН у

атома С₃ пентозы одного нуклеотида фосфатным остатком другого

нуклеотида. Такую связь иначе называют фосфодиэфирной.

В составе молекулы ДНК выделено значительно большее

число нуклеотидных остатков, чем в молекуле РНК. Молекулярная

масса ДНК порядка 10 млн; ДНК в условиях клетки нерастворима.

Первичная структура нуклеиновых кислот – нуклеотидный состав

и нуклеотидная последовательность, т.е. порядок чередования нуклеотидных

звеньев. Устанавливают нуклеотидный состав, исследуя продукты

гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые в свою очередь способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

Химический гидролиз ДНК почти не применяют из-за осложнения его побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный гидролиз под действием нуклеаз. Обычно для этой цели используют змеиный яд, в котором содержатся ферменты, расщепляющие фосфодиэфирные связи. Такие ферменты проявляют специфичность по отношению к разным типам нуклеиновых кислот.

Вторичная структура ДНК – это пространственная организация полинуклеотидной цепи.

М акромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных связей в виде двойной спирали постоянного диаметра. Остатки нуклеиновых оснований направлены внутрь спирали, диаметр которой равен примерно 2 нм. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Для обеспечения наибольшей устойчивости этой структуры водородных связей должно быть максимально много. Это достигается определенным соответствием в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к остаткам другой: тиминовые группы располагаются напротив адениновых (между ними образуются две водородные связи), цитозиновые — напротив гуаниновых (между ними образуются три водородные связи). Эти основания составляют комплементарные пары. Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания карбонильной группой другого, а также между амидным и иминным атомами азота.

Полный или частичный разрыв водородных связей, ведущий к раскручиванию полинуклеотидных цепей нуклеиновой кислоты и их последующему разделению, называют денатурацией.

Нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых организмах и играют исключительно важную роль в биосинтезе белков, а также в передаче наследственных свойств. Нуклеиновые кислоты являются материальными носителями генетического кода, который определяет аминокислотную последовательность в белках. Именно эта генетическая информация программирует структуру и метаболическую активность живых организмов. В организме нуклеиновые кислоты в основном находятся в составе смешанных биополимеров — нуклеопротеинов. Как следует из названия, структурными компонентами таких образований являются нуклеиновые кислоты и белки.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно находятся в рибосомах, а также протоплазме клеток. Основная роль РНК заключается в непосредственном участии в биосинтезе белка.

Известны 3 вида клеточных РНК: транспортная (тРНК); информационная или матричная (мРНК); рибосомная (рРНК).

Контрольные задания

1. В составе ДНК в качестве углеводного компонента содержится: а) 2-дезокси- -L-рибофураноза, б) -D-рибофураноза, в) -D-рибопираноза, г) 2-дезокси- -D-рибофураноза, д) -D- рибофуроноза; е) 2-дезокси- -D-рибулофураноза, ж) 2-дезокси- -D-рибопираноза. Приведите структурную формулу этого соединения. К какому типу моноз оно относится: 1) альдогексоза; 2) альдопентоза; 3) кетогексоза; 4) кетопентоза.

2. ДНК отличается от РНК: а) составом пуриновых оснований, б) типом углеводного компонента, в) отсутствием сложноэфирных связей с фосфорной кислотой, г) составом пиридиновых оснований. Между отдельными мононуклеотидами осуществляется связь: 1) 1,6-фосфорноэфирная, 2) 3,5- фосфорноэфирная, 3) -N-гликозидная, г) 3,3-сложноэфирная. Различаются ли функции в организме ДНК и РНК? Если да, то в чём состоит это отличие?

3. Первичная структура нуклеиновых кислот – длинная цепь мононуклеотидов. Они связаны между собой: а) водородными связями, б) пептидными связями, в) 2,3-сложноэфирной связью, г) 3,5-сложноэфирной связью, д) -N-гликозидной связью. Эта связь обеспечивается наличием в нуклеотиде: 1) остатка фосфорной кислоты; 2) углевода; 3) пуринового гетероциклическ. основания; 4) пиримидинового гетероциклического основания.

3. Пиримидиновые основания в нуклеозидах присоединяются к углеводу по атому азота и образуют связь: а) -N-гликозидную, б) -N-гликозидную, в) -О-гликозидную, г) -О- гликозидную?

4 . Среди приведённых ниже соединений, выберите основание, комплементарное тимину: