Нуклеотиды. Строение нуклеотидов и нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения со строго определенной линейной последовательностью мономеров.

В качестве мономеров выступают нуклеотиды, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.

Нуклеотид – органическое вещество, содержащее 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид пентозу и остаток фосфорной кислоты.

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания – пуриновые и пиримидиновые.

Пуриновые азотистые основания: аденин (A), гуанин (G).

Пиримидиновые азотистые основания: цитозин (C), тимин (T), урацил (U).

Пентозы в нуклеотидах представлены рибозой в составе РНК и дезоксирибозой в составе ДНК.

Пентозы соединяются с основанием N-гликозидной связью, которая образуется С₁ – атомом пентозы и N₁ – атомом пиримидина или N₉ – атомом пурина.

Остаток фосфорной кислоты присоединяется к 5`- углеродному атому пентозы – это 5`- фосфоэфирная связь.

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты различают нуклеотидмонофосфаты, –дифосфаты и –трифосфаты.

Каждая фосфатная группа в полинуклеотидной цепи, за исключением фосфорного остатка на 5`- конце молекулы, участвует в образовании двух эфирных связей с участием 3`- и 5`- углеродных атомов двух соседних пентоз. Поэтому связь между мономерами обозначают 3`-, 5`- фосфодиэфирной.

Концевые нуклеотиды обозначают по структуре: на 5`- конце находится фосфатная группа, на 3`- конце свободная ОН – группа.

Нуклеотиды, в состав которых входит пентозы – рибоза, называются рибонуклеотидами, а кислоты, построенные из рибонуклеотидов называются рибонуклеиновыми кислотами, или РНК.

Нуклеиновые кислоты, в мономеры которых входит дезоксирибоза, называются дезоксирибонуклеиновыми кислотами, или ДНК.

Остов нуклеиновых кислот имеет одинаковое строение по всей длине молекулы и состоит из чередующихся групп – пентоза-фосфат-пентоза. Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях служат азотистые основания – пурины и пиримидины.

В молекулу РНК входят аденин, гуанин, цитозин и урацил.

В молекулу ДНК входят аденин, гуанин, цитозин и тимин.

Структура днк

Первичная структура ДНК – порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинуклеотидной цепи.

Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно записывается сокращенно с помощью однобуквенного кода от

5`- к 3`- концу, например A-G-C-T-T-A-C-A-.

В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты, и при рН 7 фосфатная группа полностью ионизирована, поэтому они существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового цикла способны образовывать водородные связи.

Вторичная структура ДНК. Согласно модели Уотсона и Крика она имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, а полинуклеотидные цепи в ней антипараллельны.

Все основания расположены внутри двойной спирали, а пентозный остов -снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счет водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и G и C

(три связи). При таком сочетании каждая пара имеет по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине.

Водородные связи при других сочетаниях оснований в паре возможны, но они значительно слабее. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарны последовательности второй цепи, поэтому согласно правилу Чаргаффа число пуриновых оснований (А+ G) равно числу пиримидиновых оснований (Т+С). Между основаниями двухцепочечной молекулы возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга.

Третичная структура ДНК. Суперспирализация ДНК.

Каждая молекула ДНК упакована в отдельную хромосому. Всего у человека 46 хромосом. Укладка и суперспирализация осуществляется с помощью разнообразных белков, которые взаимодействуют с определнными последовательностями в структуре ДНК. Все белки можно разделить на 2 группы: гистоновые и негистоновые. Комплекс белков с ядерной ДНК клеток называют хроматином.

Гистоновые белки содержат много остатков аргинина и лизина и имеют положительный заряд. Благодаря этому образуют ионные связи с отрицательно заряженными фосфатными группами, расположенными на внешней стороне двойной спирали. Существует 5 типов гистонов. 4 гистона образуют восьмимерный (октамерный) комплекс, который называют нуклесомный кор. ДНК накручивается на поверхность гистонового октамера, что является структурной единицей хроматина и называется нуклеосома. ДНК, связывающую нуклеосомные частицы, называют линкерной ДНК. В среднем линкерная ДНК составляет 60 пар нуклеотидных остатков. Молекулы одного оставшегося гистона связываются с линкерной ДНК, защищая от де6йствия нуклеаз. Аминокислотные остатки лизина, аргинина и концевые аминогруппы гистонов могут модифицироваться: ацетилироваться, фосфорилироваться, метилироваться или взаимодействовать с убеквитином (негистоновый белок). Модификации бывают обратимыми и необратимыми, они изменяют заряд гистонов и их конформацию, а это влияет на гистоны и взаимодействие их между собой и с ДНК. Активность ферментов, ответственных за модификацию, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла и делает возможным конформационные перестройки хроматина.

Негистоновые белки. Белки комплементарные определенной последовательности нуклеотидов (сайт ДНК). Это семейство сайт-специфических белков типа цинковые пальцы. К группе структурных и регуляторных белков относят белки высокой подвижности, характеризуются высоким содержанием заряженных аминокислот. К негистоновым белкам относят ферменты репликации. Транскрипции и репарации.