biopolimery (1)

НУКЛЕОЗИДЫ, НУКЛЕОТИДЫ, НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

НУКЛЕОЗИДЫ (Нз) – это N-гликозиды, у которых в качестве агликона выступает пуриновое или пиримидиновое азотистое основание.

Общая формула может быть представлена так:

основание

N1 или N9

пурины пиримидины

OH OH

рибоза (может быть дезоксирибоза)

Различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Название Нз производится от соответствующего азотистого основания с окончанием –идин – у пиримидиновых и –озид у пуриновых нуклеозидов. Рассмотрим на примере:

79

рибофуранозилцитозин дезоксирибофуранозилтимин

Функции нуклеозидов

1.Структурный компонент для следующих групп нуклеотидов.

2.Важная группа лекарственных препаратов: противоопухолевых,

противовоспалительных, иммуносупрессоров:

Азидотимидин – нижает

размножение вируса СПИДа

3.Аденозин – важнейший нейромедиатор, тормозит работу головного мозга и сердца.

80

В дезоксирибонуклеозиды вместо рибозы входит дезоксирибоза, и для отличия их от рибонуклеозидов перед названием ставят букву «д», например,

дезоксиаденозин (дА).

Встречаются еще нуклеозиды с минорными азотистыми основаниями.

Минорными их называют потому, что их относительно мало и они содержат модифицированные азотистые основания.

НУКЛЕОТИДЫ (Нд) – это фосфорные эфиры нуклеозидов. Остаток фосфорной кислоты присоединяется к С5, С3 и С2 атому рибозы с образованием сложноэфирной связи. Более распространено присоединение к С5. Различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, например, 5’-АМФ (аденозин-5’-

монофосфат), имеет следующее строение:

OH OH

сложноэфирная

связь

Сокращения АМФ, ГМФ и др. всегда относятся к 5’-нуклеотидам. У

других нуклеотидов, например, 3’-производных в сокращенном названии указывается 3’-АМФ и т.д. Известны нуклеотиды, в которых фосфорная кислота одновременно эстерифицирует две ОН-группы пентозного остатка. Это циклофосфаты, например, ц-АМФ, ц-ГМФ.

O OH

81

Роль нуклеотидов

1. Макроэргическая (все нуклеозидтрифосфаты содержат 2 макроэргические

связи, нуклеозиддифосфаты – одну).

(АТФ)

2. Регуляторная:

а) аллостерические регуляторы (АДФ, АМФ, АТФ);

б) вторые посредники действия гормонов (ц-АМФ, ц-ГМФ);

в) субстраты для протеинкиназ – АТФ;

г) регулятор G-белков – ГТФ;

д) субстраты АДФ-рибозилирования – НАД.

3. Коферментативная: НАД, НАДФ, ФМН, ФАД. Структуру НАД и НАДФ писали ранее. Показываем блок-схему ФМН и ФАД.

Ви ми В2

ФМН

ФАД

4.Улучшают вкус пищи: ГМФ, ИМФ.

5.Субстраты для синтеза нуклеиновых кислот – все нуклеозидтрифосфаты:

АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ – РНК, д-АТФ, д-ГТФ, д-ЦТФ, д-ТТФ – ДНК.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (НК) – это высокомолекулярные гетерополимеры, построенные из большого количества мононуклеотидов. НК –

82

делятся на две группы, которые различаются между собой химическим составом, структурой и функцией. В состав клетки НК входят в соединение с белками в виде нуклеопротеидов.

Структура НК

Можно показать блок схему НК. В состав НК входят тысячи нуклеотидов,

в результате чего ДНК и РНК имеют большую молекулярную массу.

Первичная структура НК – это число и последовательность нуклеотидных звеньев, связанных 3’,5’-фосфодиэфирными связями в непрерывную цепь полинуклеотида. Таким образом, первичная структура определяет порядок чередования азотистых оснований. В первичной цепи всегда свободен Р у первого МН и 3 гидроксил у последнего МН.

Первичная структура ДНК строго специфична для каждого вида организма.

Вторичная структура отличается у ДНК и РНК.

83

Вторичная структура ДНК – это две правозакрученные спирализованные полинуклеотидные цепи, переплетенные друг с другом и противоположно направленные. Эта структура двойной спирали стабилизируется межцепочными водородными связями. Причем А-Т имеет 2 связи, а Г-Ц будет содержать 3 связи.

Тимин (Т) Аденин (А)

HNH O

Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь двойной спирали.

Впервые Д. Уотсон и Ф. Крик показали модель молекулы ДНК. А Э.

Чаргафф сформулировал правила:

1.количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых, т.е. А + Г = Ц + Т;

2.количество А=Т, а Г=Ц;

3.А + Ц = Г + Т

4.А + Т Г + Ц.

Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК – хранение и передача наследственных признаков. ДНК раскручивается и на каждой отдельной цепи, как на матрице, происходит

84

биосинтез новой цепи ДНК с учетом принципа комплементарности. ДНК находится в ядре клеток. Вновь образовавшаяся цепь не идентична, но комплементарна исходной матрице. В результате образовались две двойные спирали ДНК, каждая из которых включает одну «старую» и одну «новую» цепь. Этот процесс точного воспроизведения молекулы ДНК, в результате которого образуются одинаковые молекулы, называется репликацией.

НК – это полианионы (большинство имеют отрицательный заряд), во всех фосфатах один гидроксил всегда свободен и может диссоциировать. Могут комплексироваться с положительно заряженными структурами, например, с

основными белками. Так формируются хромосомы и рибосомы – надмолекулярные структуры клетки, необходимые для реализации важных функций НК.

Третичная структура ДНК – если обе нити двухспиральной ДНК замкнуты, т.е. сахарофосфатная цепь непрерывна, то они могут иметь суперспиральную или суперскрученную конформацию.

Суперспирализация имеет место, когда в правовращающей спирали ДНК число пар оснований на единицу длины больше стандартного.

Суперспирализация может быть нарушена расщеплением одной или двух нитей, например, действием фермента.

Имеются следующие варианты третичной структуры: нуклеосомы –

фибриллы – петли (домены) – минибэнды – хромосомы (суперспирализация

конденсация в 10000 раз).

Синтез, виды и роль РНК

РНК находится в рибосомах и в протоплазме клеток. Общая роль РНК заключается в непосредственном участии в биосинтезе белка.

Синтез всех РНК происходит на одной из раскрученных цепей ДНК в ядре, затем синтезированная цепь мРНК сама служит матрицей для биосинтеза

85

белка в цитоплазме. Возникающая цепь мРНК комплементарна той цепи ДНК,

на которой она синтезируется. Если А в ДНК, то в РНК будет У. Синтез РНК называется транскрипцией (переписывание) генетической информации с ДНК на РНК.

В отличие от ДНК РНК имеет одноцепочечную структуру. Вторичная структура РНК имеет форму полинуклеотидной цепи, содержащей короткие, не вполне совершенные спирализованные участки, в которых наблюдается спаривание оснований А-У и Г-Ц. Строго говоря, форма структуры РНК разнообразна и зависит от вида РНК, т.е. от ее функций. Существуют три вида РНК, различающиеся составом, размером, функциональными свойствами и локализацией в клетке.

Рибосомная РНК (рРНК) – рибосомы содержат большую часть РНК клетки. На долю рибосомной РНК приходится 77% общей РНК. рРНК прочно связана с белками, образуя рибонуклеопротеиды. Играет важную роль в структуре и биосинтетической функции рибосомы.

Матричная РНК (мРНК) – составляет 5% от клеточных РНК, состоит из одной цепи переменной длины, т.е. это просто незамкнутая цепочка.

Каждому кодону в ДНК соответствует комплементарный кодон мРНК. К

мРНК, находящейся в рибосоме, прикрепляется своими антикодовыми участками тРНК, несущая -аминокислоты.

Транспортная РНК (тРНК) – на ее долю приходится 14% клеточных РНК.

Основная роль тРНК состоит в том, что она доставляет аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы (место синтеза белка). Насчитывается 20 видов тРНК.

Молекулярная масса тРНК самая маленькая, составляет 25000.

Цепь тРНК представляет одноцепочную структуру, которая в пространстве складывается таким образом, что ее отдельные участки становятся комплементарными друг другу и таким образом образуют короткие двухспиральные участки внутри молекулы, а другие участки остаются не спирализованы. Все тРНК обладают сходной вторичной структурой,

получившей название «клеверного листа». Для него характерно наличие

86

четырех зон со спаренными основаниями, образующих основные 3 петли и одну минорную петлю различного размера для разных РНК и открытого конца,

в котором располагаются оба конца полинуклеотидной цепи. Антикодон тРНК комплементарен кодону мРНК.

У Ц

Г

антикодон

Третичная структура РНК пока описана только для тРНК. О четвертичной

структуре сведений мало.

Отличия ДНК от РНК

87

Код (свойства):

1.триплетность;

2.вырожденность;

3.универсальность;

4.неперекрываемость;

5.код без запятых.

Физико-химические свойства НК Физико-химические свойства НК определяются высокой молекулярной

массой и уровнем структурной организации. Для них характерны: коллоидные и осмотические свойства, высокая вязкость и плотность растворов, оптические свойства, способность к денатурации.

При растворении НК набухают и образуют вязкие растворы типа коллоидов. Гидрофильность их зависит в основном от фосфатов. В растворе НК имеют вид полианиона с резко выраженными кислотными свойствами.

Денатурация и ренатурация.

Нагревание ДНК приводит к разделению двойной спирали на одиночные цепи. При медленном охлаждении цепи вновь воссоединяются по принципу комплементарности, при этом образуется нативная двойная спираль ДНК. Это явление называется ренатурацией. При быстром охлаждении ренатурации не происходит.

Все НК имеют максимум оптической плотности при длине волны 260 нм,

что соответствует максимуму поглощения азотистых оснований.

88