3. Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты (nucleus – ядро) – важнейшие органические соединения, впервые были выделены швейцарским исследователем Ф.Мишером в 1869 году из ядер лейкоцитов путем экстрагирования щелочью и осаждения кислотой. Нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК содержатся в ядре в виде нуклеопротеидов. ДНП – дезоксинуклеопротеид – это хроматин ядра, т.е. хромосома представляет собой ДНП-дезоксирбонуклеиновую кислота, связанную с белками основного характера (гистоны).

Функция ДНК – это хранение и передача наследственной информации. Указанная роль ДНК была установлена в результате работ Гриффиса (1928 г.), который определил явление бактериальной трансформации. В опытах Гриффиса было показано, что пневмококки безкапсульные (R-формы) приобретают вирулентность, если их смешивать с убитыми нагреванием вирулентными (S-формами) пневмококков. В дальнейшем исследованиями О.Эвери, М.Карти и Мак-Леод (1944 г.) было установлено, что приобретение вирулентных свойств R-формами пневмококков обусловлена ДНК из S-форм пневмококков, т.е. ДНК из убитых нагреванием клеток является носителем генетической информации. Исследованиями Чаргаффа был определен нуклеотидный состав ДНК, в опытах Херши и Чейза на бактериофагах установлено, что при заражении бактериальных клеток фагами в бактериальную клетку проходит только ДНК, а белковая оболочка фага остается вне клетки. На основании имеющихся к тому времени накопленных научных данных в 1953 году Уотсон и Крик сформулировали теорию о структуре молекулы ДНК, о том, что ДНК представляет собой полимер из нуклеотидов в виде двойной спирали и является носителем генетической информации. Дальнейшие исследования полностью подтвердили правильность этой теории. Было доказано, что нуклеиновые кислоты – это важнейший компонент всех живых организмов, всех живых клеток. С участием нуклеиновых кислот происходит образование белков, являющихся материальной основой всех жизненных процессов. Информация, определяющая особенности структуры белков «записана» в ДНК и передается в ряду поколений молекулами ДНК.

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) принимают участие в процессе реализации наследственной информации – в биосинтезе белков. Различают несколько видов РНК – информационную, рибосомальную и транспортную. Кроме того, рибонуклеиновые кислоты выполняют роль носителя генетической информации у РНК-содержащих вирусов.

В последние годы установлено, что рибонуклеиновые кислоты обладают ферментативными свойствами, такие РНК называют рибозимами.

Нуклеиновые кислоты представляют собой полимеры, построенные из мономеров-нуклеотидов. Следует подчеркнуть, что нуклеотиды играют важную роль в обмене веществ самостоятельно, а также в составе ферментов (коферменты), аккумуляторов энергии (АТФ, ГТФ), регуляторов обмена веществ (циклические нуклеотиды).

Нуклеотиды и нуклеозиды

Нуклеотиды являются компонентами нуклеиновых кислот. ДНК и РНК – это полимеры, построенные из мононуклеотидов. Нуклеотиды присутствуют во всех клетках, выполняя ряд жизненно важных функций:

1. ДНК построена из дезоксирибонуклеотидов, является хранителем наследственной информации, принимает участие в реализации этой информации – в биосинтезе белка.

2. РНК построена из рибонуклеотидов, участвует в синтезе белка, является носителем генетической информации у PHK-содержащих вирусов.

3. Пуриновые рибонуклеотиды выполняют функции универсальных источников энергии (АТФ).

4. Выполняют роль регуляторных сигналов – вторичных переносчиков (мессенджеров) – ц-АМФ, ц-ГМФ, аллостерических регуляторов.

5. Входят в состав коферментов ФАД, ФМН, НАД, НАДФ, служат переносчиком метильных групп (S-аденозинметионин). Пиримидиновые нуклеотиды функционируют в качестве макроэргических посредников в углеводном обмене (УДФ-глюкоза, УДФ-галактоза), в синтезе липидов – ЦДФ-ацилглицерол.

Нуклеотид состоит из трех компонентов – азотистого основания, углевода, остатка фосфорной кислоты.

Азотистые основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, являются производными ароматических гетероциклических соединений – пурина и пиримидина. Производные пурина аденин (А) и гуанин (Г), а производные пиримидина – цитозин (Ц), урацил (У), тимин (T). В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК вместо тимина присутствует урацил (рис.3.1.).

Пурин Аденин Гуанин

(6-аминопурин) (2-амино-6-оксипурин)

Рис.3.1. Азотистые основания, входящие в состав

нуклеиновых кислот.

Углеводным компонентом нуклеотидов являются (β-D-рибофураноза (рибоза) и β-2'-дезокси-D-рибофураноза (дезоксирибоза) (рис.3.2.). Углеродные атомы пентозы нумеруются цифрами со знаком «штрих» для того, чтобы можно было отличить их от атомов азотистого основания (например, 5-й углеродный атом обозначают С-5' или 5'). У второго углеродного атома гидроксильная группа -ОН у рибозы, в дезоксирибонуклеотидах представлена атомом водорода -H. Считают, что отсутствие атома кислорода у второго атома углерода дезоксирибозы способствует компактности укладки молекулы ДНК, делает более прочной связь между 2-м и 3-м углеродом рибозы, что в целом увеличивает стабильность молекулы ДНК и консервативность как хранителя наследственности.

β-D-рибофураноза β-2'-дезокси-D-рибофураноза

(рибоза) (дезоксирибоза)

Рис.3.2. Углеводные компоненты нуклеотидов.

Азотистые основания существуют в таутомерных лактим- или лактамных формах. В составе нуклеиновых кислот все оксопроизводные азотистых оснований присутствуют в лактамной форме

Лактим (енол-форма) Лактам (кето-форма)

Нуклеозиды образуются в результате образования N-гликозидной связи между 9-ым атомом азота у пуринов и 1-м атомом азота у пиримидинов с пентозой, рибозой или 2'-дезоксирибозой (рис.3.3.).

Фосфорные эфиры нуклеозидов называются нуклеотидами:

Названия нуклеотидов и нуклеозидов представлены в таблице 3.1.

Если к аденозину присоединяется остаток фосфорной кислоты в 5'-положении, то образуется 5'-адениловая кислота или аденозин-5'-монофосфат; если в 3'-положении, то 3'-адениловая кислота или аденозин-3'-монофосфат. К нуклеозидмонофосфату могут присоединяться посредством фосфоангидридной связи еще один или два остатка фосфорной кислоты. При этом образуются нуклеозиды- и нуклеозидтрифосфаты. Сокращенные обозначения моно-, ди- и трифосфатов представлены в таблице 3.1.

Рис. 3.3. Образование N-гликозидной связи между азотистым основанием и углеводным компонентом.

Таблица 3.1 Нуклеозидмоно-, ди- и трифосфаты

Нуклеозид	букв. обозн.	монофосфаты	дифосфаты	трифосфаты
Аденозин Гуанозин Цитидин Уридин Тимидин	А Г Ц У Т	АМФ ГМФ ЦМФ УМФ ТМФ	АДФ ГДФ ЦДФ УДФ ТДФ	АТФ ГТФ ЦТФ УТФ ТТФ

Состав нуклеиновых кислот

	ДНК	РНК
Пуриновые азотистые Основания Пиримидиновые азотистые основания Углеводный компонент Неорганическое вещество	Аденин Гуанин Цитозин Тимин Дезоксирибоза Фосфорная кислота	Аденин Гуанин Цитозин Урацил Рибоза Фосфорная кислота