111 :: 112 :: 113 :: 114 :: 115 :: 116 :: 117 :: Содержание

ГЛАВА 4

БИОХИМИЯ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Общая характеристика нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus - ядро) - важнейшие органические вещества, с которыми связаны все основные процессы существования живой материи. Открыты Ф. Мишером в 1868 г. в ядрах клеток гноя. В дальнейшем выявлены во всех клетках человека, животных и растений, в микробах и вирусах.

Нуклеиновые кислоты - простетические группы нуклеопротеидов. Конечные продукты гидролиза их - пуриновые и пиримидиновые основания, пентозы и фосфорная кислота. По химическому составу различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. В состав ДНК входит дезоксирибоза, в состав РНК - рибоза. Различаются между собой

Ф. Мишер (1844-1895)

111

азотистыми основаниями, структурой молекул, клеточной локализацией и функциями (см. ниже).

Соединения, молекула которых образована пуриновым или пиримидиновым основанием и пентозой (рибозой или дезоксирибозой), называют нуклеозидами. Название нуклеозида определяется содержащимся в нем азотистым основанием. Так, нуклеозид, имеющий в составе молекулы аденин, называют аденозином, гуанин - гуанозином, тимин - тимидином, цитозин - цитидином, урацил - уридином. В зависимости от входящих в состав молекул углеводов различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.

Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов. В молекулу нуклеотида входят пуриновое или пиримидиновое основание, пентоза (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты, который связывается пятым или третьим атомом углерода пентозы. Если в состав нуклеотида входит

дезоксирибоза, то перед его названием обычно ставится буква "д".

Название нуклеотида обычно производят от входящего в его состав нуклеозида, порядкового номера атома пентозы, к которому присоединен остаток фосфорной кислоты, или называют, как кислоту, по азотистому основанию.

Многие свободные нуклеотиды осуществляют функции коферментов (НАД, НАДФ, ФАД и др.) или являются макроэргическими соединениями (АТФ, АДФ, УДФ, УТФ, ГТФ, ГДФ и др.). цАМФ выполняет функции посредника при действии гормонов.

112

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК-химическая основа генов,

в которых сконцентрирована наследственная информация организма. Локализирована в основном в ядрах клеток, преимущественно в хромосомах. При гидролизе ДНК образуются нуклеотиды: дезоксиадениловая (А), дезоксигуаниловая (Г), дезоксицитидиловая (Ц) и тимидиловая (T) кислоты. Иногда в составе нуклеотидов выявляются в небольших количествах другие производные пуринов и пиримидинов - минорные основания: 5-метилцитозин (ткани тимуса), 5-оксиметилцитозин (бактериофаги) и т. д.

Нуклеотиды соединяются в полинуклеотидную цепь (ДНК) кислородными мостиками, образованными за счет гидроксила - остатка фосфорной кислоты одного нуклеотида и гидроксильной группы возле третьего углеродного атома остатка дезоксирибозы второго нуклеотида.

Число остатков нуклеотидов в составе молекулы ДНК составляет 2500035000 и больше, а молекулярная масса - от нескольких миллионов до 2-5 млрд. Молекулы ДНК можно "видеть" в электронном микроскопе (рис. 7). Абсолютное количество четырех видов нуклеотидов (А, Г, Ц и T) в молекулах ДНК различного происхождения колеблется в широких диапазонах. Однако между количеством пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК

фосфорноэфирными связями по типу 3-5, а ступени - азотистыми основаниями. Аденин соединен водородными связями с тимином, гуанин - с цитозином, причем между аденином и тимином имеются две, между гуанином и цитозином - три водородные связи (рис. 8). Каждый виток спирали имеет 10 пар нуклеотидов, межнуклеотидные расстояния равны 0,34 нм, один виток спирали (шаг) - 3,4 нм, длина спирали в среднем 1500-2000 нм, иногда 100000 нм и больше. Конфигурация спирали ДНК может быть сжатая и растянутая. У некоторых бактериофагов найдена односпиральная молекула ДНК.

Содержание ДНК в различных клетках организма сравнительно постоянно. Так, в клетках костного мозга крысы содержится 6,7 пг ДНК, легких - 6,5, миокарда - 6,3 пг.

Рибонуклеиновые кислоты. Молекула РНК представляет собой линейную спираль, состоящую из остатков рибонуклеотидов. Принцип соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь здесь такой же, как и в молекуле ДНК: остаток рибозы одного нуклеотида соединяется кислородным мостиком с остатком фосфорной кислоты следующего нуклеотида (рис. 9). В

114

Рис. 9. Схема строения полинуклеотидной цепи РНК

образовании каждого нуклеотида участвуют пуриновое или пиримидиновое основание, рибоза и фосфорная кислота. В составе РНК выявлены минорные основания: 6-метилгуанин, 2-метиламино-6-оксипурин, 5-метилцитозин и др.

Молекула РНК представляет собой односпиральную нуклеотидную цепь, которая в некоторых участках может быть двуспиральной с образованием водородных связей между комплементарными основаниями (А-У, Г-Ц). РНК большинства вирусов двуспиральная, каждая спираль содержит 20 000-25 000 нуклеотидных остатков. В отличие от ДНК, имеющей жесткую структуру молекулы, РНК представляет собой биополимер, молекула которого может

изменить форму и конфигурацию в зависимости от условий среды: рН, ионной силы растворителя, температуры и др. Около 90% РНК сосредоточено в цитоплазме и 10% - в ядре клеток. Эти соотношения между ядерной и цитоплазматической РНК в различных клетках неодинаковы.

Различают рибосомальную, транспортную и информационную рибонуклеиновые кислоты.

Р и б о с о м а л ь н а я Р Н К (рРНК, или гРНК) составляет основу рибосом (50-65% общей массы) и 75-85% всей РНК клетки. Почти вся рРНК находится в виде магниевой соли. После удаления ионов магния рибосома диссоциирует на две субъединицы - большую и малую (см. рис. 25). Каждая субъединица имеет одну молекулу РНК (большая субъединица состоит из 2500-4000, малая - из 1500-2000 нуклеотидных остатков). Молекулярная масса рРНК - 0,5-2 млн. Для молекулы рРНК характерно чередование спиральных (60-65%) и неспиральных участков. Спиральные участки молекулы РНК содержат до 10 нуклеотидов.

Т р а н с п о р т н у ю Р Н К (тРНК, или sPHK) иногда называют так: растворимая РНК, РНК-переносчик, акцепторная или адапторная РНК. Она

115

составляет около 15% всей РНК клетки. Молекулярная масса - 23-30 тыс. Молекула состоит из 75-90 моно-нуклеотидных остатков. Каждая из 20 аминокислот имеет свои тРНК (не менее одной). В тРНК содержится до 10% минорных мононуклеотидов. Известно свыше 80 тРНК. Молекулы тРНК обычно находятся в свободном состоянии. Все тРНК имеют форму кленового или клеверного листа. На одном конце молекулы размещается тринуклеотидный остаток, который связывается с соответствующей аминокислотой, образуя аминоацил-тРНК: фГ (фН)75-90 фЦфЦфА - O-CO-CH-(NH2)-R. B таком виде аминокислотный остаток переносится к концу пептидной цепочки на поверхность рибосомы, где и включается в молекулу синтезируемого белка. В молекуле тРНК есть участок, с помощью которого она присоединяется к рибосоме, - антикодон, триплет нуклеотидных остатков, "узнающая группа". В аланиновой тРНК антикодоном является МГЦ, валиновой - ИАЦ (рис.10), фенилаланиновой - ГmАА, тирозиновой - ГψА.

Информационная РНК (иРНК, или тРНК) - РНК-посредник, матричная РНК, трансляционная РНК. Составляет от 1 до 5% всей клеточной РНК. Быстро синтезируется (синтез одной молекулы происходит за 20-30 с) и распадается (одна молекула распадается в течение 3-5 мин). Имеет строение цепи, близкое по структуре к ДНК (отличие - вместо T в молекулу РНК включается У, вместо дезоксирибозы - рибоза). иРНК копирует информацию с молекулы ДНК чередованием нуклеотидных остатков и участвует в контроле синтеза молекулы соответствующего белка. Молекула иРНК содержит от 100 до 6000 остатков нуклеотидов, ее молекулярная масса - 500 тыс. - 2 млн. Известно

Рис. 10. Структура тРНК, переносящей валик: ψ - псевдоуридин; И - инозин

116

несколько иРНК. Синтез каждого белка клетки (а их число нередко превышает 1000) кодируется своей иРНК или ее определенным участком.

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 в к л е т к.е Нуклеиновые кислоты в клетке находятся в связанном и свободном состояниях. В частности, ДНК с белками ядра образует дезоксирибонуклеопротеиды (ДНП), РНК с белками ядра и цитоплазмы - рибонуклеопротеиды (РНП). ДНП составляет основу вещества клеточного ядра - хроматина. Во время деления клеток ДНК концентрируется в виде хромосом. В хромосоме выделяют субъединицы - нуклеосомы. Каждая нуклеосома представляет собой изогнутый участок ДНК, содержащий 150-200 пар нуклеотидов и комплекс из восьми молекул гистонов. В хроматине в среднем содержится 30-40 %ДНК, 60-70% гистонов, негистоновых белков, РНК и других веществ. Негистоновые белки обычно представлены протаминами, иногда - альбуминами и глобулинами.

Молекулы нуклеиновых кислот и простых белков соединяются между собой с помощью ионных связей. Установлено, что полипептидные цепочки молекул белков в виде нитей окутывают спираль молекулы ДНК, стабилизируют ее третичную структуру и регулируют метаболическую активность.

117

111 :: 112 :: 113 :: 114 :: 115 :: 116 :: 117 :: Содержание