voronina

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА І ФУНКЦІЇ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

У 1868 р. швейцарський хімік Ф.Мішер уперше з ядер лейко- цитів людини виділив сполуки нового типу до того часу невідомі і дав їм назву нуклеїни (від лат. nucleus – ядро). Потім нуклеїни були одержані з ядерного матеріалу багатьох організмів. Пізні- ше Ф.Мішер встановив, що нуклеїн є складною сполукою, яка включає кислий компонент із вмістом близько 10% фосфору (він був названий нуклеїновою кислотою) та білковий компонент. Так були відкриті нуклеїнові кислоти та нова група складних біл- ків – нуклеопротеїни.

До середини 80-х років XIX ст. нуклеїни були знайдені у складі хромосом, у зв'язку з чим сформувалося перше уявлення про їх важ- ливу роль у передачі спадкових властивостей. Але ці уявлення не одержали подальшого розвитку, оскільки передачу генетичних влас- тивостей зв'язували з молекулою білка. І тільки в 50-х роках XX ст. були одержані експериментальні докази дуже важливої ролі нуклеї- нових кислот (ДНК) у явищах спадковості (О.Евері, К.Мак-Леоду, М.Мак-Карті, Ф.Гриффітс, А.Херші, М.Чейз та ін.). Так було доведе- но, що нуклеїнові кислоти містяться в усіх клітинах організмів і є ма- теріальними носіями генетичної інформації, тобто забезпечують збереження, передачу і відтворення спадкової інформації. За участю нуклеїнових кислот відбувається біосинтез білків, які є матеріальною основою всіх процесів життєдіяльності.

Загальна характеристика будови нуклеїнових кислот

Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні органічні сполуки, які складаються з великої кількості залишків мононуклеотидів (нук- леотидів), з'єднаних 3',5'-фосфодиефірними зв'язками в полінуклео- тидні ланцюги, і які виконують важливу роль у збереженні й передачі генетичної інформації, беруть участь у біосинтезі та регуляції біоси- нтезу специфічних білків живого організму.

Нуклеїнова кислота – це гетерополімер, мономери якого пред- ставлені не однією певною речовиною, а трьохкомпонентним утво- ренням – нуклеотидом. Нуклеотиди складаються із гетероциклічної основи, сполученої з вуглеводним залишком, етерифікованим, у свою чергу, фосфорною кислотою.

За умови повного гідролізу нуклеїнової кислоти утворюються пуринові і піримідинові основи, моносахарид – пентоза (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота. Усі нуклеїнові кислоти поділя- ються на два типи в залежності від того, яка пентоза входить до їх складу. Нуклеїнова кислота називається рибонуклеїновою (РНК), як- що до її складу входить рибоза, або дезоксирибонуклеїновою (ДНК), якщо до її складу входить дезоксирибоза. Пентози у складі нуклеїно- вих кислот присутні завжди в β-D-фуранозній формі:

81

Вуглецеві атоми пентози нумеруються цифрами зі знаком «штрих», аби відрізнити їх від нумерації атомів азотистої основи. Незначна відмінність – присутність водню замість гідроксильної групи біля С-2'-рибози є однією з основних ознак суттєвої різниці у будові та властивостях ДНК і РНК.

Азотисті основи. Азотисті основи, які входять до складу нук- леїнових кислот, є похідними гетероциклічних сполук – пурину і піримідину. Молекула пурину складається із двох конденсованих кілець: піримідину та імідазолу. Серед піримідинових основ голо- вна роль належить цитозину (Ц), урацилу (У) і тиміну (Т; 5-ме- тилурацил), а серед пуринових основ – аденіну (А) і гуаніну (Г). Вони являють собою або оксо-(урацил, тимін), або аміно- (аденін), або змішані – оксо- і аміно-(цитозин, гуанін) похідні пі- римідину чи пурину. Для оксопохідних піримідину і пурину харак- терна лактим-лактамна таутомерія. Тому азотисті основи здатні існувати в різноманітних таутомерних формах, проте стійкішими є лактамні (оксо-) форми. У такій формі вони входять до складу нуклеїнових кислот.

Азотисті основи

1. Піримідинові основи:

82

2. Пуринові основи:

До складу ДНК входять аденін, гуанін, цитозин, тимін; до складу PНK – аденін, гуанін, цитозин, а замість тиміну – урацил.

Окрім названих вище азотистих основ, які називаються голо- вними, у нуклеїнових кислотах у невеликих кількостях наявні рідкісні, так звані, мінорні основи. Наприклад:

83

Особливо багатими на мінорні основи є транспортні РНК, які ма- ють велику кількість різновидів(близько60).

Азотисті основи поглинають світло в ультрафіолетовій частині спектра з довжиною хвиль 200–300 нм і максимумом близько 260 нм. Ця властивість використовується при кількісному визначенні нуклеї- нових кислот.

В останні роки деякі синтетичні похідні піримідину й пурину використовуються як лікарські засоби. Вони за будовою подібні до природних метаболітів (У, Т, Ц, А та ін.), проте не повністю їм ідентичні (антиметаболіти). Наприклад, 5-фторурацил висту- пає в ролі антагоніста урацилу і тиміну, а 6-меркаптопурин – аденіну. Конкуруючи з метаболітами, вони порушують синтез нуклеїнових кислот в організмі, що знайшло використання при лікуванні пухлинних захворювань.

84

Нуклеозиди. Азотисті основи, з'єднуючись із пентозами, утво- рюють сполуки, що одержали назву нуклеозидів. Пуринові основи через 9-й атом азоту, а піримідинові – через 1-й – утворюють N-глі- козидний зв'язок із рибозою або 2'-дезоксирибозою. При цьому зав- жди утворюється β-глікозидний зв'язок (за рахунок відщеплення мо- лекули води – водню від N9 або N1 основ і гідроксигрупи аномерного атома C-1' рибози):

У залежності від природи пентози нуклеозиди поділяються на рибонуклеозиди і дезоксирибонуклеозиди. Утворюється їх назва як і у всіх глікозидів, наприклад, β-гуанінрибофуранозид або гуанінри- бозид. Проте частіше використовуються назви, які походять від тривіальної назви відповідної азотистої основи із закінченням -ідин (-идин) у піримідинових і -озин – у пуринових нуклеозидів:

Аденін + Рибоза → Аденозин (А) Гуанін + Рибоза → Гуанозин (Г) Цитозин + Рибоза → Цитидин (Ц) Урацил + Рибоза → Уридин (У)

Аденін + 2'-Дезоксирибоза → Дезоксиаденозин (дА) Гуанін + 2'-Дезоксирибоза → Дезоксигуанозин (дГ) Цитозин + 2'-Дезоксирибоза → Дезоксицитидин (дЦ) Тимін + 2'-Дезоксирибоза → Дезокситимідин (дТ)

Усі нуклеозиди скорочено позначають символами основ, які входять до їх складу. До назви нуклеозидів, які містять дезоксирибо- зу, додається буква «д» (наприклад, д-цитидин). До складу деяких PНK, крім основних і мінорних нуклеозидів, входить незвичайний нуклеозид – псевдоуридин, який позначається символом ψ. Особли- вістю його будови є наявність не N-, а С-глікозидного зв’язку, з цим пов'язана його значна стійкість до гідролізу.

85

Значна роль рибози і дезоксирибози в утворенні нуклеїнових ки- слот стала обґрунтуванням для створення лікарських засобів мето- дом модифікації природних нуклеозидів. Так, у структурі аденінових нуклеозидів, які є нормальними складовими нуклеїнових кислот (метаболіти), D-рибозу і 2'-дезоксирибозу замінюють у синтетичних лікарських препаратах на епімер D-рибози – D-арабінозу.

Арабінозид аденіну виявляє антивірусну активність. За будовою він близький до природного нуклеозиду, проте незначна зміна в бу- дові й конфігурації С-2'-вуглецевого атома виявилася достатньою для того, щоб ця сполука виконувала роль інгібітора ДНК.

Нуклеотиди – це фосфати нуклеозидів. Найчастіше в нуклеози- дах етерифікується гідроксильна група біля С-5' або біля С-3' пентоз- ного залишку. У залежності від будови пентози розрізняють рибону- клеотиди і дезоксирибонуклеотиди.

86

Нуклеотиди, з одного боку, є складними ефірами нуклеозидів (фосфати), з іншого – кислотами, завдяки наявності в їх складі зали- шку фосфорної кислоти.

1. Рибонуклеотиди

87

2. Дезоксирибонуклеотиди

Скорочені позначення АМФ, ЦМФ тощо завжди відносяться до 5'-нуклеотидів. У скороченій назві інших нуклеотидів, наприклад,

у3'-похідних, завжди проставляється положення фосфорної кислоти: 3'-АМФ, 3'-дАМФ і т.ін.

Нуклеотиди входять до складу не тільки нуклеїнових кислот, але й складних ферментних систем. Вони можуть також знаходитися

увільному стані.

До нуклеозидмонофосфатів може приєднуватися за допомогою фосфоангідридного зв'язку ще один або два залишки фосфорної кисло- ти. Прицьому утворюються нуклеозидди- тануклеозидтрифосфати:

88

АМФ, АДФ і АТФ виконують важливу роль в обмінних проце- сах організму. Наприклад, АТФ бере участь в енергетичному об- міні організму, є однією з основних макроергічних сполук. Під час відщеплення від АТФ однієї або двох молекул фосфорної кислоти, які з'єднані між собою макроергічним зв'язком ( ), виділяється 32–42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфатного зв'язку – 8–12 кДж/моль. В обміні речовин та енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди: ГТФ, ЦТФ, УТФ та ін.

Компоненти нуклеїнових кислот та похідних нуклеотидів пред- ставлені в таблиці 5:

89

Окрім зазначених нуклеотидів відомі нуклеотиди, у яких фосфо- рна кислота одночасно етерифікує (зв'язує) дві гідроксильні групи пентозного залишку, утворюючи циклофосфати:

Аденозин 3', 5'-цикломонофосфат цАМФ (циклічна аденілова кислота)

Практично в усіх клітинах є присутніми два циклічних нуклеоти- ди – цАМФ і цГМФ. Циклічні нуклеотиди є найважливішими регуля- торами внутрішньоклітинних процесів.

Будова полінуклеотидного ланцюга. Нуклеотиди є мономер-

ними одиницями олігонуклеотидів і полінуклеотидів. Олігонук- леотиди містять у своєму складі декілька мономерів, а полінук- леотиди – багато. Нуклеїнові кислоти являють собою полінукле- отиди, побудовані з мономерів – нуклеотидів, кількість яких ва- ріюється від 7 десятків до сотень мільйонів (продукт поліконде- нсації). Роль містка між нуклеотидами виконує 3',5'-фосфо- диефірний зв'язок, з'єднуючий С-3'-D-рибози (або 3'-дезокси- рибози) одного нуклеотиду з С-5' другого (рис.19, 20). У зв'язку з цим полінуклеотидний ланцюг має певний напрямок: на одному його кінці (початок ланцюга) залишається вільною 5'-ОН, на ін- шому – 3'-ОН група (кінець ланцюга). Тому кінці лінійного (не- розгалуженого) полінуклеотидного ланцюга позначають: 5'-кі- нець (ліворуч) і 3'-кінець (праворуч), оскільки написання ланцю- га починають з 5'-кінця. У цьому випадку загальний напрямок утворення фосфодиефірних зв'язків у ланцюгу позначається 5'→3' (див. рис.19, 20). На 5'-кінці знаходиться фосфатна група у складі першого нуклеотиду, тому такий кінець позначають літе- рою «Р» (фосфор) або «Ф». На іншому кінці в пентозному зали- шку зберігається вільна гідроксильна група в С-3', і тому цей кі- нець ланцюга ще позначають як 3'-ОН-кінець.

90