5.3. Фосфаты нуклеозидов и нуклеотидов

Нуклеозиды этерифицируются фосфорной кислотой по спиртовым гидроксилам при С₅ или С₃ углевода с образованием нуклеотидов, названия которым даются от названия нуклеозида с добавлением суффикса –фосфат.

Сокращенно 5’-фосфаты записываются с добавлением латинской буквы «р» перед символом нуклеозида, 3’-фосфаты – после. Эти сокращения используются для записи последовательности нуклеотидных остатков в НК.

Каждый из нуклеотидов может присоединять дополнительные фосфатные группы с образованием дифосфатов и трифосфатов. Они содержатся в свободном виде во всех тканях живых организмов. Особо широко известны аденозинсодержащие нуклеотиды: аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

АМФ, АДФ и АТФ способны ко взаимопревращениям за счет разрыва или образования связи Р~O, которая называется макроэргической. При расщеплении связи Р~O выделяется 32 кДж/моль энергии. Поэтому АТФ является поставщиком энергии в живых клетках. АДФ и АТФ осуществляют в живом организме биохимические процессы переноса фосфатных групп в синтезах белков, процессе фотосинтеза и др.

5.4. Строение полинуклеотидов (нуклеиновых кислот)

Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК являются полимерными молекулами (полинуклеотидами), которые состоят из чередующихся блоков – нуклеотидов.

Молекулы ДНК и РНК различаются между собой не только моносахаридными остатками (рибоза в РНК и дезоксирибоза в ДНК), но и по составу нуклеиновых гетероциклических оснований (см. табл. 6). Как видно из таблицы, общими в составе ДНК и РНК являются аденин, гуанин и цитозин. Тимин входит только в состав ДНК, а урацил – только в РНК.

Средняя молекула ДНК состоит примерно из 4 млн. пар нуклеотидов, ее относительная масса достигает 2,610¹⁰, а длина - 1,4 мм. Молекулы ДНК человека и животных могут достигать еще больших размеров, их длина может составлять несколько см, а относительная масса 10¹⁰-10¹¹. Чтобы записать нуклеотидную последовательность ДНК человека, потребуется около 1млн. страниц. В состав молекулы РНК входят до 30 тыс. нуклеотидов, а относительная молекулярная масса достигает в среднем величины 210⁶.

Фрагменты нуклеотидов в нуклеиновых кислотах соединены фосфатно-эфирными связями чаще всего между ОН-группами при С₃ одного нуклеотида и фосфатной группой при С₅ – другого. Каркас молекулы состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам.

Строго определенная последовательность нуклеотидных фрагментов, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида, называется первичной структурой нуклеиновых кислот. Например, фрагмент первичной структуры ДНК:

Сокращенно первичную структуру полинуклеотида записывают с использованием буквенных обозначений нуклеотидов. Например, фрагмент ДНК, состоящий из последовательно соединенных тимидин-5’-фосфата (рТ), дезоксицитидин-5’-фосфата (pdC), дезоксигуанозин-5’-фосфата (pdG), дезоксиаденозин-3’-фосфата (dAp), можно записать с помощью следующих обозначений:

…– рТ– pdC–pdG–dAp …. или d(…pTpCpGAp…)

Установление нуклеотидного состава осуществляется путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот. Молекулы ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде, расщепляются только ферментами; молекулы РНК – легко гидролизуются в мягких условиях (состав продуктов гидролиза см. стр. 56).

Кроме различной первичной структуры молекулы нуклеиновых кислот имеют и трехмерную пространственную структуру, которую определяют как вторичную структуру.

5.4.1. ДНК. Вторичная структура ДНК представляет собой две спирали, закрученные одна относительно другой в противоположных направлениях. В природе эта двойная спираль как правило правозакрученная. На внешней стороне спиралей находятся углеводно-фосфатные цепочки, а гетероциклические основания ориентированы внутрь двойной спирали. На один виток двойной спирали приходится 10 оснований в каждой из полинуклеотидных цепей. Авторами модели двойной спирали ДНК (рис. 7) являются Дж. Уотсон и Ф. Крик, которые удостоены в 1962 г. Нобелевской премии за работы в этой области.

а б

Рис. 7. Двойная спираль ДНК:

а - модель Уотсона-Крика; б – пространственная модель

Устойчивость вторичной структуры обеспечивается за счет Н-связей между определенными парами нуклеиновых гетероциклических оснований, обращенных друг к другу. То есть каждое основание на одной из цепей связывается с одним определенным основанием на второй цепи. Соответствующие пары оснований называются комплементарными парами. Пурины комплементарны пиримидинам (то есть, способны к образованию водородных связей с ними): аденин образует связи только с тимином, а цитозин  с гуанином (А:::Т и G:::C).  Данные пары подходят друг к другу как «ключ к замку». Комплементарность двойной спирали означает, что информация, содержащаяся в одной цепи, содержится и в другой цепи. Обратимость и специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований важна для всех функций ДНК в живых организмах.

Разные пары оснований образуют разное количество водородных связей. А:::Т связаны двумя, G:::C  тремя водородными связями, поэтому на разрыв G:::С требуется больше энергии. Процент GС-пар и длина молекулы ДНК определяют количество энергии, необходимой для диссоциации цепей: длинные молекулы ДНК с большим содержанием GС более тугоплавки.

5.4.2. РНК. Вторичная структура РНК представляет собой одиночную молекулу, которая в строго фиксированных комплементарных зонах может образовывать сама с собой двухцепные спиральные фрагменты, чередующиеся с линейными участками. Отдельные участки цепи РНК могут быть скручены в виде петель с образованием конфигурации «клеверный лист» (рис. 8). Комплементарными парами в РНК являются гуанин с цитозином G:::C  и аденин с урацилом А:::U.

а б

Рис. 8. Вторичная структура РНК:

а – одноцепочечная спираль; б – «клеверный лист»

Выделяют три вида РНК (табл. 8), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям,  информационную, рибосомальную и транспортную.

Таблица 8