Часть II. Глава 4. Hуклеиновые кислоты

4.1.Общая структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения - биополимеры, мономерами которых является нуклеотиды, поэтому их также называют полинуклеотиды. Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р.Альтманом в 1889 году, после того, как эти соединения были открыты в 1868 году швейцарским врачом Ф. Мишером, в ядрах клеток содержимого гнойной раны.

В живом организме присутствуют два типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота; последняя представлена тремя видами: мРНК ( матричная РНК ), тРНК (транспортная РНК) и рРНК (рибосомальная РНК). Молекулярная масса ДНК варьирует от 1 тысячи до 1 миллиона кДа; РНК - от 20 до 70 кДа.

Биологическая функция нуклеиновых кислот была установлена в 40 гг 20 века О. Т. Эвери, К.Мак- Леодом и М. Мак-Карти и заключается в хранении , воспроизведении и передаче на белок генетической информации. В 1953 году Дж.Уотсон и Ф. Крик сообщили о расшиф- ровке молекулярной и пространственной структуры ДНК; с этого момен- та биология начала новою эру познании материи - эру молекулярной биологии.

4.1.1.Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое азотистое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты (рис.64)

Азотистое

основание

(NB)

Сахар

(Rb)

3′ 5′

Рис.64. Компоненты нуклеотида

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пиримидиновые и пуриновые. Пиримидиновые основания состоят из шестичленного кольца; в состав нуклеотидов входят его производные: урацил(У), цитозин(Ц), тимин(Т) (рис.65).

Рис. 65. Пиримидиновые основания (Из: Жеребцов, 2002)

Пуриновые основания содержат два кольца – пятичленное и шестичленное; в состав нуклеотидов входят два его производных: аденин(А) и гуанин(Г) (рис.66).

Рис.66. Пуриновые основания (Из: Жеребцов, 1986)

Аденин, гуанин, цитозин, входят в состав и ДНК и РНК. Тимин входит только в состав ДНК, урацил - только в РНК; урацил отличается от тимина отсутствием метильной (СН3) группы в 5 положении пиримиди- нового кольца. Нумерация атомов кольца записывается внутри кольца (рис.67).

Рис.67. Пуриновые и пиримидиновые основания (Из: Жеребцов, 1986)

Пентозы в нуклеотидах представлены либо рибозой (в составе РНК) , либо дезоксирибозой ( в составе ДНК). Нумерации атомов производится с внешней стороны кольца с добавлением штриха (`) -1`,2`,3`,4`и 5`(рис.68).

Рис.68. Строение пентозы

Обе пентозы различаются вторым углеродным атомом: в рибозе он связан с ОН-группой , а у дезоксирибозы с Н-водородом.

Пентоза соединяется с азотистым основанием N-гликозидной связью, образованной С1-атомом пентозы и N1-атомом пиримидина или N9-атомом. Соединение пентозы и азотистого основания называется - нуклеозид и относится к N-нуклеозидам (рис.69) .

Рис.69. Формулы некоторых нуклеозидов

В составе ДНК и РНК входят следующие нуклеозиды, являющиеся мажорными (главными).

ДНК

Аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин

Гуанин + дезоксирибоза = дезоксигуанозин

Цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин

Тимин + дезоксирибоза = дезокситимидин

РНК

Аденин + рибоза = аденозин

Гуанин + рибоза = гуанозин

Цитозин + рибоза = цитидин

Урацил + рибоза = уридин

Кроме мажорных (главных) нуклеотидов встречаются минорные нуклеотиды, которые являются модификациями главных, образующихся в результате целого ряда реакции, чаще всего метилирования как по основанию, так и по 2`-гидроксильной группе сахарного остатка. Напри- мер: метилирование уридина по положению 5` приводит к образованию риботимидина; восстановление уридина – дегидроуридина; замещение О в положении 4 на S - 4-тиоуридина; перегруппировка уридина (изомери- зация) приводит к образованию инозина, метилирование аденина - мети- линозина, гуанозина – 7метилгуанозина, диметилгуанозина; цитозина – 5метилцитозина и т.д. Всего известно около 60 различных модификации, приводящих к образованию минорных нуклеозидов (рис.70).

Рис.70. Формулы отдельных минорных оснований

Соединение нуклеозидов с остатками фосфорной кислоты называются нуклеозидфосфатами. Соединение происходит за счет присоединения остатков фосфорной кислоты сложной эфирной связью к 5`-углерод- ному атому пентозы (рис.71).

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты разли- чают нуклеозидмонофосфат (НМФ), нуклеозиддифосфат (НДФ), нуклео -

зидтрифосфат (НТФ) (рис.72).

Рис. 71. Формулы отдельных нуклеозидфосфатов

Рис. 72. Нуклеозидмоно-, ди - и трифосфаты аденозина

В зависимости от характера пентозы (рибоза или дезоксирибоза) в нуклеотиде различают рибонуклеозидфосфаты и дезоксинуклеозидмонофос - фаты.

Таблица 7