posobia2 / Лекции по биоорганической химии (2011 г

Существуют нуклеотиды, в которых две гидроксильные группы (в положениях 3 и 5 ) этерифицированы фосфорной кислотой. Такие нуклеотиды называют циклофосфатами. Почти во всех клетках имеются два циклофосфата – цАМФ и цГМФ.

Циклофосфаты участвуют в регуляции внутриклеточных процессов, способны превращать ряд инертных белков в ферменты.

191

Как сложные эфиры, нуклеотиды подвергаются гидролизу как под действием кислот, так и под действием щелочей. При щелочном гидролизе образуются соль фосфорной кислоты и нуклеозид (гликозидная связь не подвергается щелочному гидролизу), при кислотном гидролизе получаются фосфорная кислота, углевод и азотистое основание.

ДНК и РНК построены по общему принципу: мононуклеотиды соединены в нуклеиновых кислотах за счет остатков фосфорной кислоты, связывающей 5-й атом углерода рибозы или дезоксирибозы одного мононуклеотида с 3-м атомом углерода другого мононуклеотида, т.е нуклеиновые кислоты представляют собой полиэфиры N-гликозидов

– нуклеозидов.

Как видно из примера образования тринуклеотида, полимерная цепь нуклеиновых кислот состоит из чередующихся углеводных и пентозных остатков, а азотистые основания являются «боковыми группами», присоединенными к остатку моносахарида. В нуклеиновых кислотах выделяют 5 -конец, на котором находится остаток фосфорной

192

кислоты, образующий только одну сложноэфирную связь с гидроксильной группой в положении 5 -моносахарида (этот конец цепи обозначают в сокращенной записи буквой «ф»), и 3 -конец, на котором находится свободная гидроксильная группа в положении 3 - моносахарида. Последовательность нуклеотидных звеньев в приведенном примере можно записать в сокращенном виде следующим образом: фдАфдТфдЦ. Буква ф ставится справа от нуклеотида, если он этерифицирован по гидроксильной группе третьего атома углерода моносахарида, если нуклеотид образует сложноэфирную связь за счет пятого атома углерода в моносахариде, то буква ф ставится слева. Последовательность нуклеотидных звеньев в цепи ДНК или РНК называется первичной структурой.

Пространственная организация полинуклеотидной цепи называется вторичной структурой. Вторичная структура ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух переплетенных цепей ДНК. В полный виток каждой спирали укладывается около десяти нуклеотидных единиц и две цепи выстраиваются в противоположных направлениях так, чтобы азотистые основания были направлены внутрь двойной спирали. Причем, остаток тимина в одной цепи образует всегда водородные связи с остатком аденина другой цепи, а остаток цитозина – с остатком гуанина. Это подтверждается данными гидролиза, которые показывают, что в ДНК соотношение тимин:аденин и цитозин:гуанин равно 1:1. Эти основания называют комплементарными. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой, т.е.

193

нуклеотидная последовательность одной цепи определяет первичную структуру второй цепи.

Между остатками аденина и тимина образуются две водородные связи, между остатками гуанина и цитозина – три. Водородные связи между комплементарными основаниями являются одним из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль.

Клетки живого организма постоянно делятся. Когда происходит деление клетки, необходимо точное воспроизведение молекулы ДНК. Этот процесс называется репликацией и происходит следующим образом. Две цепи двойной спирали начинают разделяться и на каждой из первоначальных цепей идет биосинтез новой цепи с учетом комплементарности азотистых оснований. Вновь образованные цепи не идентичны, но комплементарны исходным цепям, служившим им матрицей. В итоге получаются две новые двойные спирали, состоящие из одной синтезированной и одной матричной цепей. Подобным образом на деспирализованной цепи ДНК идет образование матричной РНК, которая затем сама является матрицей для биосинтеза белка. Генетическая информация записана в нуклеотидной последовательности в ДНК. Изменение нуклеотидной последовательности в ДНК приведет к изменению нуклеотидной последовательности в м-РНК, а это может привести к изменению аминокислотного состава синтезируемого белка. Такое изменение ДНК

194

называется мутацией. Накопление мутаций приводит к возрастанию числа ошибок в биосинтезе белка. Последствия мутаций иногда помогает избежать вырожденность генетического кода, в результате чего многие мутации, например изменение последнего основания в кодоне, не изменяют аминокислотного состава белка, т.е происходит кодирование тех же аминокислот или аминокислот с похожей боковой цепью. Однако изменение даже одного основания в ДНК может иметь и серьезные последствия. Так, например, у больных серповидноклеточной анемией гемоглобин менее растворим, чем нормальный, и осаждается в тонких кровеносных сосудах, вызывая сильную боль. Такой аномальный гемоглобин разрушается селезенкой, что приводит к анемии. Оказалось, что серповидноклеточная анемия вызвана изменением одного азотистого основания в ДНК, в результате чего м-РНК вместо глутаминовой кислоты кодирует валин, который далее включается в состав гемоглобина, что и приводит к образованию аномального гемоглобина с особыми свойствами.

Мутации также могут быть обусловлены случайными ошибками при копировании ДНК при подготовке клетки к делению; кроме того, они могут быть вызваны действием химических препаратов и различными излучениями (ионизирующими и неионизирующими, корпускулярными и некорпускулярными).

Большое количество соединений обладает мутагенными свойствами, среди них широко известны азотистая кислота, гидроксиламин, различные алкилирующие агенты – N-нитрозо-N- этилмочевина, серные, азотистые иприты и др.

195

Действие азотистой кислоты приводит к дезаминированию азотистых оснований:

Аденин превращается в гипоксантин, гуанин – в ксантин, цитозин – в урацил (на тимин HNO2 не действует). Это приводит к замене в ДНК комплементарных пар оснований, так как аденин комплементарен тимину, а гипоксантин образует комплементарную пару с цитозином, цитозин комплементарен гуанину, а урацил образует комплементарную пару с аденином.

Действие гидроксиламина сводится главным образом к реакции с цитозином – в нейтральных и слабокислых средах образуется производное, которое комплементируется с аденином.

Многие алкилирующие соединения обладают выраженным мутагенным действием. Для соединений этого типа характерна реакция алкилирования по седьмому атому азота гуанина, в результате протекания которой может происходить отщепление азотистого основания от остатка дезоксирибозы.

196

Велико также значение реакций алкилирования оснований, не сопровождающихся выщеплением их из ДНК. Такие процессы происходят при алкилировании аденина по первому и третьему атомам азота, тимина – по первому атому азота и т.д. Эти процессы существенно искажают комплементирование оснований при синтезе ДНК. Для ипритов, помимо описанных выше реакций, характерно также образование мостиков между азотистыми основаниями, сшивающих либо разные цепи ДНК, либо основания одной цепи. Возможно образование сшивок ДНК-белок. Именно эта группа алкилирующих агентов часто вызывает хромосомные перестройки.

Излучения являются мутагенным фактором со сложным механизмом действия. В зависимости от природы излучения ведущие механизмы могут быть различными, однако ни в одном случае не удается объяснить наблюдаемые эффекты каким-то одним типом реакций.

Для ионизирующих излучений характерно не только прямое воздействие на ДНК (первичное), но и непрямое, состоящее в ионизации других молекул, особенно воды, с образованием свободных радикалов, которые далее воздействуют на ДНК. Свободные радикалы могут вызывать, во-первых, различные окислительные процессы, в число

197

которых входит дезаминирование, гидроксилирование цитозина, тимина, аденина, образование гидроперекисей тимина и, наконец, окисление остатка дезоксирибозы. Во-вторых, реакции окисления сочетаются с разрывами пиримидиновых и в меньшей степени пуриновых циклов, разрывами связей между дезоксирибозой и остатком фосфорной кислоты, дезоксирибозой и основаниями, разрывом связей углеродуглерод в самой дезоксирибозе.

Ультрафиолетовое излучение, относящееся к некорпускулярным излучениям, хотя обладает низкой проникающей способностью, также является мутагенным фактором. Кванты УФ-излучения поглощаются нуклеиновыми кислотами, что приводит к переходу молекул в возбужденное состояние, повышению их реакционной способности и протеканию реакций, приводящих к повреждению оснований. Особое значение приобретает эффект образования димеров тимина:

В неденатурированных участках молекулы ДНК димеризация происходит лишь между соседними остатками тимина одной цепи. Тиминовые димеры располагаются вдоль цепи ДНК не случайным образом, а группируются так, что на небольшом участке цепи ДНК сосредотачивается в среднем по 6 димеров. Этого достаточно, чтобы создать препятствия при репликации и спровоцировать либо выпадение целых участков, либо искажение транскрипции.

198

Рекомендуемая литература Основная литература

1.Овчинников Ю.А. «Биоорганическая химия».- М., 1987 г.

2.Романовский И.В. «Основы биоорганической химии».- Мн.,1999 г.

3.«Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии».

– Под редакцией Н.А. Тюкавкиной.- М., 1999 г.

4.«Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии». Под редакцией Н.А. Тюкавкиной.- М., 1985 г.

5.«Руководство к практикуму по биоорганической химии». Под редакцией И.В.Романовского. – Мн., 2003 г.

6.Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. «Биоорганическая химии».- М., 1991 г.

Дополнительная литература

7.Николаев А.Я. «Биологическая химия». – М., 1989 г.

8.Потапов В.М. «Стереохимия». – М., 1988 г.

9.Тейлор Г. «Основы органической химии».- М., «Мир». – 1989 г.

10.Терней А. «Современная органическая химия». – М., 1981 г.

199

200