Слесарев В.И. - Химия. Основы химии живого. 2000 (учебник для вузов)

В условиях организма цитозин и гуанин - слабые основания, а урацил и тимин - слабые кислоты. Для всех этих гетероцикли­ ческих соединений характерно образование водородных связей, при котором они выступают одновременно и как доноры, и как акцепторы протонов. Эта их способность реализуется при по­ строении нуклеиновых кислот (разд. 23.4).

Среди оксопроизводных пурина следует выделить кофеин и мочевую кислоту. Кофеин содержится в кофейных зернах, бо­ бах какао и чайных листьях. Это сильнодействующий возбуди­ тель центральной нервной системы и стимулятор работы серд­ ца. Кофеин является основанием и образует соли с кислотами.

мочевая кислота

Мочевая кислота - продукт обмена веществ в живых организ- 'мах. В значительных количествах встречается в экскрементах птиц (« 25 % ) и особенно змей (« 90 % ). Мочевая кислота явля­ ется двухосновной NH-кислотой ( р 5,4, а р = 11,3) и об­ разует два ряда солей-уратов, большинство из которых, как и сама мочевая кислота, плохо растворяются в воде.

2 3 .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 дез-

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

626

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

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

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

Поскольку с учетом значений рК1а и р н у к л е о т и д ы в фи­ зиологических 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 аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), которые способ­ ны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепле­ ния фосфатных групп:

627

+ Н2Р04

В этих соединениях фосфатные группы в физиологических условиях почти полностью ионизованы, поэтому их часто запи­ сывают в виде анионов АТФ4~, АДФ3~. Главная особенность этих нуклеотидов состоит в том, что их полифосфатные группы содер-

О О

1 1

жат одну или две ангидридные группы — Р— О— Р— . При гид­ ролизе 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 реак­ ция фосфорилирования гидроксилсодержащих соединений с об­ разованием сложных эфиров фосфорной кислоты:

V ОН

При фосфорилировании карбоксилсодержащих соединений об­ разуются ацилфосфаты, которые содержат ангидридную группи­

Фосфорилированные производные выступают активными метаболитами во многих биохимических процессах.

628

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

Нуклеиновые кислоты в живых организмах играют глав­ ную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка. Нук­ леиновые кислоты - высокомолекулярные соединения с моле­ кулярной массой от 20 тысяч до десятка миллиардов. Их поли­ мерные цепи построены из мономерных звеньев-нуклеотидов. Особенность нуклеотидного звена заключается в том, что оно представляет собой трехкомпонентное образование, состоящее из гетероциклического азотсодержащего основания, углеводно­ го компонента - пентозы - и фосфатной группы. Каркас поли­ мерной 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:

П е р в и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т определяется природой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных сложноэфирными связями между пентозами и фосфатными группами (рис. 23.2).

В т о р и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т . Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь представ­ ляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримиди­ новые основания направлены внутрь. Между пуриновым основа­ нием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру. Основания, образующие пары, связанные водородными связями, называются комплементарными. В ДНК комплементарными бу­ дут: аденин - тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин - цитозин, связанные тремя водородными свя­ зями (рис. 23.3). Это означает, что пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримиди­ новые основания тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.

629

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

Комплементарность цепей и последовательность звеньев со­ ставляют химическую основу важнейших функций нуклеиновых кислот: ДНК - хранение и передача наследственной информа­ ции, а РНК - непосредственное участие в биосинтезе белка. Мо­ лекулярная 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 де­ сяти разнообразных упорядоченных спиральных структур ДНК. В стабилизации этих структур наряду с водородными связями, действующими поперек спирали, большую роль играют межмо­ лекулярные взаимодействия, направленные вдоль спирали между соседними пространственно сближенными азотистыми основа­ ниями. Поскольку эти взаимодействия направлены вдоль стоп­ ки азотистых оснований молекулы ДНК, их называют стэкингвзаймовействиями. Таким образом, взаимодействия азотистых оснований между собой скрепляют двойную спираль молекулы ДНК и вдоль, и поперек ее оси.

Сильное стэкинг-взаимодействие всегда усиливает водород­ ные связи между основаниями, способствуя уплотнению спира­ ли. Вследствие этого молекулы воды из окружающего раствора связываются в основном с пентозофосфатным остовом ДНК, по­ лярные группы которого находятся на поверхности спирали. При ослаблении стэкинг-взаимодействия молекулы воды, про­ никая внутрь спирали, конкурентно взаимодействуют с поляр­ ными группами оснований, инициируют дестабилизацию и спо­ собствуют дальнейшему распаду двойной спирали. Все это сви­ детельствует о динамичности вторичной структуры ДНК под воздействием компонентов окружающего раствора.

Биспиральные структуры в молекулах РНК возникают в пре­ делах одной и той же цепи в тех зонах, где расположены ком ­

631

Рис. 23.4. Вторичная структура молекулы РНК

плементарные азотистые основания аденин - урацил и гуанин - цитозин (рис. 23.4). В результате вторичная структура молеку­ лы РНК содержит биспиральные участки и петли, число и раз­ меры которых определяются первичной структурой молекулы и составом окружающего раствора.

Т р е т и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т . Двойная спираль молекул ДНК существует в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактных клубковых форм. Ме­ жду этими формами совершаются взаимные переходы при дей­ ствии особой группы ферментов - топоизомераз, изменяющих пространственную структуру (рис. 23.5).

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

Биологические функции и ДНК, и РНК полностью опреде­ ляются только совокупностью первичной, вторичной и третичной структур. При этом следует отметить, что стабилизация вторич­ ной и третичной структур нуклеиновых кислот, так же как у белков, происходит за счет ассоциации по принципу самоорга­ низации под влиянием и при участии компонентов окружаю­ щего раствора, и прежде всего молекул воды.

Р и с. 2 3 .5 . Т р ети чн а я стр у к ту р а м ол ек ул ы Д Н К :

а -линейная, б -кольцевая, в -суперкольцевая, г -компактный клубок

632

П о в е р х н о с т н ы е с в о й с т в а . Макромолекулы нуклеи­ новых кислот состоят из полярных групп, и поэтому их поверх­ ность достаточно гидрофильна. Вследствие этого в водных рас­ творах нуклеиновые кислоты при их малой концентрации, низ­ кой молекулярной массе и при достаточно большой концентра­ ции свободных молекул воды самопроизвольно образуют истин­ ные растворы, а в случае большой молекулярной массы - лиофильные коллоидные растворы.

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

Учет только полярности заместителей в молекуле нуклеино­ вых кислот при описании их поверхностных свойств явно недос­ таточен, так как состав и последовательность азотистых основа­ ний их макромолекул несут наследственную информацию живого организма. При синтезе дочерних нуклеиновых кислот на исход­ ных полинуклеотидах и при синтезе белка поверхность полинук­ леотидов используется как информационная матрица. Именно эта особенность нуклеиновых кислот определяет их уникальную био­ логическую роль в обеспечении жизненных процессов.

С т р у к т у р н о - и н ф о р м а ц и о н н ы е с в о й с т в а . Ну­ клеиновые кислоты - информационные биополимеры, осуществ­ ляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков. ДНК является носителем генетической информации, которая за­ писана через определенную последовательность расположения в цепи четырех гетероциклических оснований. Первый этап реали­ зации генетической информации заключается в том, что на кон­ кретных участках одной из нитей молекулы ДНК происходит синтез молекул РНК. Биосинтез РНК, называемый транскрип­ цией, обычно происходит в результате комплементарного копи­ рования ДНК-матрицы с помощью РНК-полимеразы. Синтезиро­ ванная РНК содержит точную копию конкретного участка ДНК.

В результате транскрипции образуются четыре различных вида РНК: рибосомальная рРНК, матричная мРНК (информаци­ онная), транспортная тРНК и малые ядерные РНК, роль кото­ рых разнообразна, но до конца еще не выяснена. Каждая из син­ тезированных РНК играет строго определенную роль на втором этапе реализации генетической информации - трансляции. Реа­ лизация генетической информации с помощью нуклеиновых ки­ слот происходит по схеме:

.малые РНК.

633

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, за­ писанной на мРНК. Информация о последовательности амино­ кислот в молекуле белка считывается с последовательности ге­ тероциклических оснований в мРНК. Конкретная группа из трех гетероциклических оснований в молекуле нуклеиновой кисло­ ты, которая соответствует отдельной аминокислоте, называется кодоном. Совокупность кодонов составляет генетический код. Генетический код един для всего живого: у любого вида орга­ низмов каждая из а-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.)

Ж и д к о к р и с т а л л и ч е с к о е с о с т о я н и е н у к л е и ­ н о в ы х к и с л о т . Рассмотрев структуру нуклеиновых кислот, убеждаешься в том, что для них характерна определенная ори­ ентационно-пространственная организация нуклеотидов. Каждый нуклеотид анизотропен, а с образованием комплементарной пары в цепи анизотропные свойства системы усиливаются, следова­ тельно, 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 от­ дельные достаточно крупные фрагменты этой строго организо­ ванной гигантской молекулы могут находиться в жидкокристал­ лическом состоянии, образуя внутримолекулярные термотропные жидкие кристаллы (при определенной температуре) или лио­ тропные жидкие кристаллы (при определенной степени гидрата­ ции 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 по­ линуклеотиды - вода или нуклеопротеиды - вода в соответст­ вии 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 совершают­ ся под действием направленного поля или самопроизвольно. В настоящее время установлено, что внутри- и межмолекуляр­ ные жидкокристаллические образования нуклеиновых кислот или их комплексов с белками играют важную роль в процессах передачи информации и биосинтеза новых нуклеиновых кислот

ибелков на молекулярном уровне.

Де н а т у р а ц и я . Подобно денатурации белков происходит денатурация нуклеиновых кислот, сопровождаемая разрушени­

634

ем 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 стэ- кинг-взаимодействия между азотистыми основаниями в макро­ молекуле. Это способствует раскручиванию двухцепочечных спи­ ралей с образованием неупорядоченных одноцепочечных клубков. Поскольку при денатурации сохраняется первичная структура нуклеиновых кислот, то данный процесс может иметь обрати­ мый характер.

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

Кислотно-основные свойства. Сильнополярные фосфатные группы нуклеиновых кислот характеризуются значением рК\< 2. Таким образом, нуклеиновые кислоты - это довольно сильные поликислоты, полностью ионизованные при pH выше 4, и по­ этому их поверхность несет отрицательный заряд. Именно это обстоятельство объясняет большую склонность нуклеиновых ки­ слот к взаимодействию с полиаминами, у которых между атома­ ми азота содержатся две или три метиленовые группы. Однако особый интерес вызывает кислотно-основное взаимодействие ну­ клеиновых кислот с белками, которые являются полиамфолита­ ми, образуя комплексные ассоциаты (соли), называемые нуклеопротеинами. Особенно активно нуклеиновые кислоты взаимо­ действуют с основными белками (р/ > 8), имеющими в нейтраль­ ной среде в основном положительный заряд. Так, ДНК образует прочный комплекс с белками-гистонами, входящими в состав хромосом. Гистоны содержат 25-30 % остатков лизина и арги­ нина, основные функциональные группы которых при pH = 7 заряжены положительно. Они, электростатически взаимодейст­ вуя с отрицательно заряженными фосфатными группами, распо­ ложенными на периферии двойной спирали ДНК, образуют дос­ таточно 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 деста­ билизация ДНК. Этим и определяется регуляторная роль гис­ тонов 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 мил-

635