23.4. Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты, их структура и свойства

Нуклеозиды и нуклеотиды являются продуктами гидролиза нуклеиновых кислот, но они присутствуют в живых организмах также в несвязанном состоянии, выполняя исключительно важную роль в обмене веществ.

Нуклеозиды - это природные гликозиды гетероциклических азотистых оснований (пиримидиновых и пуриновых), которые связаны с пентозами через атом азота. В зависимости от природы углеводного остатка (пентозы) различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.

Названия нуклеозидов производятся от тривиального назва­ния соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов. Исключение их этого правила сделано для нук­леозидов тимина.

Компоненты нуклеозида	Нуклеозид	Индекс нуклеоаида
Аденин + рибоза	Аденозин	А
Аденин + дезоксирибоза	Дезоксиаденозин	dA
Гуанин + рибоза	Гуанозин	Г
Гуанин + дезоксирибоза	Дезоксигуанозин	dГ
Цитозин + рибоза	Цитидин	С
Цитозин + дезоксирибоза	Дезоксицитидин	dC
Урацил + рибоза	Уридин	u
Урацил + дезоксирибоза	Дезоксиуридин	dU
Тимин + рибоза	Риботимидин	Т
Тимин + дезоксирибоза	Тимидин	dT

Нуклеозиды сокращенно чаще обозначают однобуквенным ин­дексом, но существует также система трехбуквенного индекса.

Нуклеозиды, являясь N-гликозидами, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой среде. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые — труднее.

Н уклеотиды являются слож­ными эфирами нуклеозидов и фосфорной кислоты, которая обычно этерифицирует гидроксогруппы при С-5' пентозы. В связи с наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты нуклеотиды проявляют свойства двухоснов­ной кислоты с pК_а 1 = 0,9 - 1,5 и pК_а 2 = 6 - 6,5.

Нуклеотиды называют или как соответствующие кислоты (монозамещенные производные фосфорной кислоты), или как соли (монофосфаты) с указанием в обоих случаях положения фосфат­ного остатка:

Поскольку с учетом значений и нуклеотиды в физиологических условиях находятся в ионизованном состоянии, последний способ предпочтительнее.

Большое значение в живых системах играют нуклеотиды, содержащие в своем составе ди- и трифосфатные группировки. Важнейшими среди этих производных являются аденозинди-фосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), которые способ­ны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепле­ния фосфатных групп:

В этих соединениях фосфатные группы в физиологических условиях почти полностью ионизованы, поэтому их часто запи­сывают в виде анионов АТФ^4-, АДФ^3-. Главная особенность этих нуклеотидов состоит в том, что их полифосфатные группы содер­жат одну или две ангидридные группы . При гид­ролизе такой группы разрывается связь, называемая макроэргической, и выделяется около 33 кДж/моль (разд. 4.5). Именно с этим связана роль АТФ в клетке как поставщика химической энергии для биохимических и физиологических процессов.

При участии АТФ в организме также осуществляется реак­ция фосфорилирования гидроксилсодержащих соединений с об­разованием сложных эфиров фосфорной кислоты:

При фосфорилировании карбоксилсодержащих соединений об­разуются ацилфосфаты, которые содержат ангидридную группи­ровку

Фосфорилированные производные выступают активными метаболитами во многих биохимических процессах.

Нуклеотидами являются многие коферменты, например НАД-и ФАД-производные аденозинфосфата, а коэнзим А - производ­ное аденозиндифосфата. Важнейшая биологическая роль нуклео­тидов заключается в том, что из них построены нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды).

Нуклеиновые кислоты в живых организмах играют глав­ную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка. Нук­леиновые кислоты - высокомолекулярные соединения с моле­кулярной массой от 20 тысяч до десятка миллиардов. Их поли­мерные цепи построены из мономерных звеньев-нуклеотидов. Особенность нуклеотидного звена заключается в том, что оно представляет собой трехкомпонентное образование, состоящее из гетероциклического азотсодержащего основания, углеводно­го компонента - пентозы - и фосфатной группы. Каркас поли­мерной цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, связанных сложноэфирными связями (у С-3' и С-5'), а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам за счет N-гликозидной связи:

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется природой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных сложноэфирными связями между пентозами и фосфатными группами (рис. 23.2).

Вторичная структура нуклеиновых кислот. Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь представ­ляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь. Между пуриновым основа­нием одной цепи и п иримидиновым основанием другой цепи имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру. Основания, образующие пары, связанные водородными связями, называются комплементарными. В ДНК комплементарными бу­дут: аденин - тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин - цитозин, связанные тремя водородными свя­зями (рис. 23.3). Это означает, что пуриновым основаниям аде-нину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.

Рис. 23.3. Комплементарные пары гетероциклических оснований и двойная спираль ДНК

Комплементарность цепей и последовательность звеньев со­ставляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информации, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Молекулярная масса ДНК варьирует от нескольких миллионов до десятка миллиардов, у РНК - от десятка тысяч до нескольких миллионов.

Молекула ДНК, в отличие от молекулы РНК, в большинстве случаев состоит из двух комплементарных взаимозакрученных цепей. В зависимости от длины витка и угла спирали, а также ряда других ее геометрических параметров, различают более де­сяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК. В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмо­лекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основа­ниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стоп­ки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкинг-взаимодействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.

Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водород­ные связи между основаниями, способствуя уплотнению спира­ли. Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, полярные группы которого находятся на поверхности спирали. При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, про­никая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с поляр­ными группами оснований, инициируют дестабилизацию и спо­собствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это сви­детельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора.

Б испиральные структуры в молекулах РНК возникают в пре­делах одной и той же цепи в тех зонах, где расположены комплементарные азотистые основания аденин - урацил и гуанин -цитозин (рис. 23.4). В результате вторичная структура молеку­лы РНК содержит биспиральные участки и петли, число и раз­меры которых определяются первичной структурой молекулы и составом окружающего раствора.

Рис. 23.4. Вторичная структура молекулы РНК

Третичная структура нуклеиновых кислот. Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм. Ме­жду этими формами совершаются взаимные переходы при дей­ствии особой группы ферментов - топоизомераз, изменяющих пространственную структуру (рис. 23.5).

Третичная структура многих молекул РНК пока еще требу­ет окончательного выяснения, но уже установлено, что она за­висит не только от первичной и вторичной структуры, но и от состава окружающего раствора.

Биологические функции и ДНК, и РНК полностью опреде­ляются только совокупностью первичной, вторичной и третичной структур. При этом следует отметить, что стабилизация вторич­ной и третичной структур нуклеиновых кислот, так же как у белков, происходит за счет ассоциации по принципу самоорга­низации под влиянием и при участии компонентов окружаю­щего раствора, и прежде всего молекул воды.

Рис. 23.5. Третичная структура молекулы ДНК: а - линейная, б -кольцевая, в -суперкольцевая, г -компактный клубок

Поверхностные свойства. Макромолекулы нуклеи­новых кислот состоят из полярных групп, и поэтому их поверх­ность достаточно гидрофильна. Вследствие этого в водных рас­творах нуклеиновые кислоты при их малой концентрации, низ­кой молекулярной массе и при достаточно большой концентра­ции свободных молекул воды самопроизвольно образуют истин­ные растворы, а в случае большой молекулярной массы - лиофильные коллоидные растворы.

Наличие на поверхности макромолекул нуклеиновых кислот отрицательного заряда, возникающего за счет диссоциации фос­фатных групп, способствует образованию ассоциативных ком­плексов - нуклеопротеинов, состоящих из нуклеиновых кислот и основных белков (рI > 8,0).

Учет только полярности заместителей в молекуле нуклеино­вых кислот при описании их поверхностных свойств явно недос­таточен, так как состав и последовательность азотистых основа­ний их макромолекул несут наследственную информацию живого организма. При синтезе дочерних нуклеиновых кислот на исход­ных полинуклеотидах и при синтезе белка поверхность полинук-леотидов используется как информационная матрица. Именно эта особенность нуклеиновых кислот определяет их уникальную био­логическую роль в обеспечении жизненных процессов.

Структурно-информационные свойства. Ну­клеиновые кислоты - информационные биополимеры, осуществ­ляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. ДНК является носителем генетической информации, которая за­писана через определенную последовательность расположения в цепи четырех гетероциклических оснований. Первый этап реали­зации генетической информации заключается в том, что на кон­кретных участках одной из нитей молекулы ДНК происходит синтез молекул РНК. Биосинтез РНК, называемый транскрип­цией, обычно происходит в результате комплементарного копирования ДНК-матрицы с помощью РНК-полимеразы. Синтезиро­ванная РНК содержит точную копию конкретного участка ДНК.

В результате транскрипции образуются четыре различных вида РНК: рибосомалъная рРНК, матричная мРНК (информаци­онная), транспортная тРНК и малые ядерные РНК, роль кото­рых разнообразна, но до конца еще не выяснена. Каждая из син­тезированных РНК играет строго определенную роль на втором этапе реализации генетической информации - трансляции. Реализация генетической информации с помощью нуклеиновых ки­слот происходит по схеме:

Рибосомальная РНК входит совместно с белками в состав рибосом. Матричная РНК, объединяясь с рибосомами, образует полирибосому, в которой с помощью ферментов и транспортных РНК, поставляющих определенные аминокислоты, происходит трансляция - синтез белков в соответствии с информацией, за­писанной на мРНК. Информация о последовательности амино­кислот в молекуле белка считывается с последовательности ге­тероциклических оснований в мРНК. Конкретная группа из трех гетероциклических оснований в молекуле нуклеиновой кисло­ты, которая соответствует отдельной аминокислоте, называется кодоном. Совокупность кодонов составляет генетический код. Генетический код един для всего живого: у любого вида организмов каждая из ос-аминокислот кодируется одним и тем же кодоном или одними и теми же кодонами. (Несколько кодонов могут кодировать одну и ту же аминокислоту, но один и тот же кодон не способен кодировать разные аминокислоты.)

Жидкокристаллическое состояние нуклеи­новых кислот. Рассмотрев структуру нуклеиновых кислот, убеждаешься в том, что для них характерна определенная ориентационно-пространственная организация нуклеотидов. Каждый нуклеотид анизотропен, а с образованием комплементарной пары в цепи анизотропные свойства системы усиливаются, следова­тельно, при рассмотрении двойной спирали всей молекулы ДНК роль анизотропии становится очень существенным фактором для описания ее свойств. Поэтому для молекул ДНК, молекулярная масса которых достигает 10⁹, вполне реально, что в растворе от­дельные достаточно крупные фрагменты этой строго организо­ванной гигантской молекулы могут находиться в жидкокристаллическом состоянии, образуя внутримолекулярные термотропные жидкие кристаллы (при определенной температуре) или лио-тропные жидкие кристаллы (при определенной степени гидрата­ции рассматриваемого фрагмента). Число таких фрагментов и их ориентация в пространстве сильно влияют на состояние ДНК в клетке и ее биологические функции.

Кроме того, различные лиотропные жидкокристаллические состояния могут самопроизвольно формироваться в системах полинуклеотиды - вода или нуклеопротеиды - вода в соответст­вии со свойствами лиофильных коллоидных растворов. В таких растворах могут происходить множественные переходы из одного жидкокристаллического состояния в другое, которые изменяют биологические функции соответствующих систем и совершают­ся под действием направленного поля или самопроизвольно. В настоящее время установлено, что внутри- и межмолекуляр­ные жидкокристаллические образования нуклеиновых кислот или их комплексов с белками играют важную роль в процессах передачи информации и биосинтеза новых нуклеиновых кислот и белков на молекулярном уровне.

Денатурация. Подобно денатурации белков происходит денатурация нуклеиновых кислот, сопровождаемая разрушением их третичной и вторичной структур и сохранением первичной структуры. Это происходит под влиянием тех же факторов, что и в случае белков, но интенсивность фактора в случае нуклеиновых кислот, естественно, может быть другой, чем при денатурации белка. Под воздействием того или иного фактора снижается прочность водородных связей и уменьшается эффективность стэкинг-взаимодействия между азотистыми основаниями в макро­молекуле. Это способствует раскручиванию двухцепочечных спи­ралей с образованием неупорядоченных одноцепочечных клубков. Поскольку при денатурации сохраняется первичная структура нуклеиновых кислот, то данный процесс может иметь обрати­мый характер.

Процесс денатурации нуклеиновых кислот разделяют на две стадии. На первой стадии две цепи частично раскручиваются, но остаются соединенными хотя бы в одном небольшом участ­ке. На второй стадии две цепи полностью отделяются друг от друга. Первая стадия легко обратима. После второй стадии ре-натурация протекает очень медленно, особенно в случае ДНК с большой молекулярной массой.

Кислотно-основные свойства. Сильнополярные фосфатные группы нуклеиновых кислот характеризуются значением Таким образом, нуклеиновые кислоты - это довольно сильные поликислоты, полностью ионизованные при рН выше 4, и по­этому их поверхность несет отрицательный заряд. Именно это обстоятельство объясняет большую склонность нуклеиновых ки­слот к взаимодействию с полиаминами, у которых между атома­ми азота содержатся две или три метиленовые группы. Однако особый интерес вызывает кислотно-основное взаимодействие ну­клеиновых кислот с белками, которые являются полиамфолита-ми, образуя комплексные ассоциаты (соли), называемые нуклеопротеинами. Особенно активно нуклеиновые кислоты взаимо­действуют с основными белками (рI > 8), имеющими в нейтраль­ной среде в основном положительный заряд. Так, ДНК образует прочный комплекс с белками-гистонами, входящими в состав хромосом. Гистоны содержат 25-30 % остатков лизина и арги­нина, основные функциональные группы которых при рН = 7 заряжены положительно. Они, электростатически взаимодейст­вуя с отрицательно заряженными фосфатными группами, распо­ложенными на периферии двойной спирали ДНК, образуют дос­таточно прочный комплексный ассоциат, в котором структура ДНК дополнительно стабилизирована. При ослаблении связей между ДНК и гистоном в силу тех или иных причин, например в результате изменения ионной силы среды, происходит деста­билизация ДНК. Этим и определяется регуляторная роль гистонов в функционировании генома.

Рибонуклеиновые кислоты также образуют с белками нуклеопротеины. Так, рибосомы состоят из 50-65 % рибосомной РНК и 35-50 % белков, содержащих до 25 % основных аминокислот. Масса одной рибосомной субъединицы составляет несколько миллионов, а диаметр 1,8 • 10^-6 м. При контакте с 0,5-1,0 М раство­рами солей при низкой температуре происходит отделение белка от РНК в рибосомах вследствие их дегидратации. Аналогичная диссоциация происходит при увеличении рН до 12 из-за изменения заряда белковой молекулы.

Вирусы представляют собой устойчивые комплексные ассо-циаты, содержащие до 30 % нуклеиновой кислоты и большое число белковых молекул, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. В состав вируса может входить как ДНК, так и РНК.

Кислотно-основные свойства нуклеиновых кислот обусловле­ны не только наличием фосфатных групп, но и присутствием азотистых оснований. Азотистые основания нуклеиновых кислот, как было показано в разд. 23.3, являются амфолитами. Вследст­вие того, что у них и основные и кислотные свойства выраже­ны слабо, внутримолекулярного солеобразования, как у амино­кислот, в нуклеиновых кислотах не происходит. Кислотно-основ­ные свойства гетероциклических оснований влияют главным образом на состояние и прочность водородных связей и стэкинг-взаимодействий, возникающих между ними. Поскольку на эти виды взаимодействий сильно влияет рН среды, изменение конформации нуклеиновых кислот может происходить при незначительном изменении рН.

Окислительно-восстановительные свойства. Нуклеиновые кислоты не содержат групп, склонных к окислительно-восста­новительным превращениям при мягком воздействии. Поэтому они относительно устойчивы к воздействию мягких окислите­лей и восстановителей. При жестком окислении в водной среде нуклеиновые кислоты превращаются, как все органические со­единения в организме, в СО2 и Н2О, а из-за присутствия в их составе атомов азота образуют мочевую кислоту, мочевину или соли аммония; кроме того, из-за наличия фосфатных групп об­разуются неорганические фосфаты.

Комплексообразующие свойства. Нуклеиновые кислоты яв­ляются активными полидентатными лигандами, содержащими как "жесткие" центры - ионизованные фосфатные группы, так и "мяг­кие" центры - полярные группы

азотистых оснований. За счет "жестких" фосфатных центров нуклеиновые кислоты образуют малоустойчивые комплексы с очень "жестким" катионом К⁺ и более прочные комплексы с катионами Mg²⁺ и Са²⁺. "Мягкие" центры расположены на гетероциклических основаниях, и за счет их образуются прочные комплексы с "мягкими" катионами d-металлов. Образование комплексных соединений нуклеиновых кислот с катионами ме­таллов, естественно, приводит к изменению их конформации, а следовательно, и их химической и биологической активности.