Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Уральский государственный медицинский университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

модули по биоорг. химии.doc

Скачиваний:

Добавлен:

04.11.2018

Размер:

2.36 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 / 1512 13 14 15 > Следующая >>>

(Основная связь α-1, 4, ветвление α-1, 6 через 20-25 остатков глюкозы)

Гликоген

(Основная связь α-1, 4, ветвление α-1, 6 через 8-12 остатков глюкозы)

Целлюлоза (связь β-1, 4) Линейное строение

Декстран (указана только основная связь α-1, 6)

Биозный фрагмент гиалуроновой кислоты

1. D-глюкуроновая кислота (β-1, 3)

2. N-ацетил-D-глюкозамин (β-1, 4)

1 2

Биозный фрагмент хондроитин-6-сульфата

1. D-глюкуроновая кислота (β-1, 3)

2. N-ацетил-D-галактозамин-6-сульфат (β-1, 4)

1 2

Биозный фрагмент гепарина

1. D-глюкуроновая кислота (α-1, 4)

2. N-ацетил-D-глюкозозамин- 6-сульфат (β-1, 4)

1 2

Раздел 12. Нуклеиновые кислоты, нуклеотиды, нуклеозиды, азотистые основания

Исходный уровень знаний для усвоения темы основан на школьной

программе органической химии, программе по биологии «Нуклеиновые кислоты. Генетический код», общей химии «Физико-химия дисперсных систем. Растворы ВМС», разделах 1 – 6, 10 данного пособия.

Для подтверждения компетентности по данной теме необходимо уметь

-записывать структурные формулы соединений: аденин, гипоксантин, гуанин, ксантин, мочевая кислота, тимин, урацил, цитозин (в лактимных и лактамных формах),

-природных нуклеозидов, мононуклеотидов, макроэргических нуклеозифосфатов АТФ, АДФ, ГТФ, ГДФ, УТФ, УДФ, УДФ-глюкуроновой кислоты,

- динуклеотида НАД ⁺,

- комплементарных пар А -Т , Г-Ц с указанием водородных связей,

- фрагментов нуклеиновых кислот( тринуклеотиды и им комплементарные участки, например А-Г-Т , комплемент в ДНК Т-Ц- А, в РНК – У- Ц- А) - определять типы связей в нуклеозидах и нуклеотидах , условия гидролиза.

Ключевые слова

Азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил), антикодон, гистоновый белок, N- β - гликозидная связь, гипоксантин, двойная спираль, кодон, комплементарные пары, ксантин, макроэргическая связь, макроэргическое соединение, мочевая кислота, нуклеозид, нуклеотид, нуклеиновые кислоты (ДНК, иРНК, тРНК, рРНК), структура ДНК (первичная, вторичная), полинуклеотид, правило Чаргаффа, ураты.

Содержание раздела (Дидактические единицы)

12.1. Классификация нуклеиновых кислот, отличия в строении и составе как следствие различных биологических функций

12.2 Азотистые основания нуклеиновых кислот

12.2.1 Пиримидин: строение, ароматичность, распределение

электронной плотности. Строение оротовой кислоты, биологическое значение.

Урацил (У), тимин (Т), цитозин (Ц). Строение, лактим - лактамная таутомерия. Биологическое значение лактамных форм для образования гликозидных связей и комплементарных пар.

12.2.2 Пурин. Строение пурина, ароматичность, кислотно-основные свойства. Азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г). Строение, кислотно-основные свойства, лактим-лактомная таутомерия гуанина. Значение лактамной формы для образования комплементарной пары.

12.2.3. Производные пурина – гипоксантин, ксантин, мочевая кислота, лактим-лактаминая таутомерия, соли ураты. Биологическое значение. Метаболизм пуриновых соединений в клетке.

12.3. Нуклеозиды – состав, строение, номенклатура нуклеозидов,

содержащих рибозу и дезоксирибозу (производные урацила, цитозина, тимина, аденина, гуанина, гипоксантина, ксантина)

Нуклеотиды – состав, строение номенклатура.

12.4.1. Моно-, ди-, трифосфатнуклеозиды (АМФ, АДФ, АТФ и их аналоги,

содержащие урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин)

12.4.2. Виды связей в нуклеотидах, условия гидролиза химических связей в нуклеотидах и нуклеиновых кислотах.

12.4.5. Макроэргические связи в нуклеозидтрифосфатах. Биологическая роль нуклеотидов.

12.5.Строение нуклеиновых кислот. Правило Чаргаффа. Первичная структура РНК и ДНК. Фосфоэфирная связь 3' -5' .

Вторичная структура ДНК – двойная спираль, антипараллельное расположение цепей. Комплементарные пары. Механизм переноса электронов между комплементарными парами. «Стейкинг» взаимодействие. Биологическое значение.

12.8. Высшие структуры ДНК – нуклеопротеиды. Генная инженерия. Полимеразная цепная реакция.

12. 9. Динуклеотиды. НАД⁺ и НАДН. Строение, биологическое значение.

Строение и биологическое значение уридинтрифосфата( УТФ) и УДФ-глюкуроновой кислоты.

12.10. Ученые, занимавшиеся исследованием строения нуклеиновых кислот:

Дж. Уотсон, Ф. Крик, Э. Чаргафф, Л. Полинг, М.Уилкинс.

Основы теории. Приложение.

Азотистые основания подразделяют на две группы: пиримидиновые (урацил, тимин, цитозин) и пуриновые (аденин, гуанин).

В составе нуклеозидов, нуклеотидов и особенно нуклеиновых кислот У, Т, Ц, Г обязательно присутствуют а лактамной форме.

Нуклеозидом называется N-β- гликозид, у которого агликон ( неуглеводная часть) является азотистым основанием, производным пиримидина или пурина.

В зависимости от того, какой моносахарид входит в состав нуклеозида, их подразделяют на два вида - рибозиды и дезоксирибозиды.

Номенклатура нуклеозидов.

Таблица 9

Азотистое основание	Нуклеозид углевод рибоза	Нуклеозид углевод дезоксирибоза
урацил	уридин	дезоксиуридин
цитозин	цитозин	дезоксицитозин
тимин	тимидинрибозид	тимидин
аденин	аденозин	дезоксиаденозин
гуанин	гуанозин	дезоксигуанозин
гипоксантин	инозин	дезоксиинозин

Нуклеозиды являются промежуточными соединениями в синтезе нуклеотидов, в клетке в иных метаболических процессах не участвуют, синтетические нуклеозиды нашли применение как лекарственные препараты. Они обладают меньшей токсичностью, чем входящий в их состав агликон (производное пиримидина или пурина), нуклеозиды лучше всасываются по сравнению с азотистыми основаниями..

Аденозин Дезоксигуанозин

На рисунках показано реальное пространственное взаимное расположение углевода и азотистого основания:

- поворот вокруг гликозидной связи затруднен.

- расположение цикла пентозы влево от связи соответствует единственно правильному изображению β- гликозидной связит

- карбонильные и аминогруппы циклов повернуты в противоположную сторону сторону от пентозы (в таком положении группы смогут участвовать в образовании комплементарных пар)

Фосфорные эфиры нуклеозидов называются нуклеотиды.

Номенклатура нуклеотидов

Таблица 10

нуклеозид

нуклеозидмонофосфат

нуклеозиддифосфат

нуклеозидтрифосфат

аденозин

5'-Аденозинмонофосфат

(5'- АМФ или АМФ )

5' -адениловая кислота

5'-Аденозиндифосфат

( 5'-АДФ или АДФ)

5'-Аденозинтрифосфат

( 5'-АТФ или АТФ )

аденозин

3'-аденозинмонофосфат

( 3'-АМФ)

3' -адениловая кислота

не встречается

in vivo

не встречается

in vivo

гуанозин

5'-гуанозинмонофосфат

(5'- ГМФ или ГМФ )

5'-гуанозиндифосфат

(5'- ГДФ или ГДФ )

5'-гуанозинтрифосфат

(5'- ГТФ или ГТФ )

гуанозин

3'-гуанозинмонофосфат

(3'- ГМФ)

3'-гуаниловая кислота

не встречается

in vivo

не встречается

in vivo

дезокси

аденозин

5'-дезоксиаденозин

монофосфат

(5'- дАМФ или дАМФ )

5'-дезоксиаденозин

дифосфат

(5'-дАДФили дАДФ)

5'-дезоксиаденозин

трифосфат

(5'-дАТФили дАТФ)

уридин

5'-уридинмонофосфат

(5'- УМФ или УМФ)

5'-уридиндифосфат

(5'- УДФ или УДФ)

5'-уридинтрифосфат

(5'- УТФ или УТФ)

цитидин

5'-цитидинмонофосфат

(5'- ЦМФ или ЦМФ)

5'-цитидиндифосфат

(5'- ЦДФ или ЦДФ)

5'-цитидинтрифосфат

(5'- ЦТФ или ЦТФ)

Положение фосфатной группы в положении (5') является наиболее распространенным и типичным, поэтому его можно не указывать (АМФ, ГТФ, УТФ, дАМФ и т.д.) Остальные положения обозначаются обязательно

( 3'- АМФ, 2'- АМФ , 3'- дАМФ). В биологических объектах присутствуют не только нуклеозидмонофосфаты, но и нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты (например, АДФ и АТФ, которые относятся к макроэргическим соединениям)

Аденозинтрифосфат (~ макроэргические связи)

Нуклеотиды, нуклеозиды и азотистые основания последовательно образуются при гидролизе полинуклеотидов (нуклеиновых кислот).

Нуклеиновая кислота

↓ ОН^–

Нуклеотиды

↓ ОН^–

Нуклеозиды + Н3РО4

↓ Н⁺

Азотистые основания + пентозы ( рибоза, дезоксирибоза)

Строение нуклеиновой кислоты ДНК.

Молекула ДНК представляет собой две перекрученные спирали. Скелет каждой спирали - цепочка из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Спирали ориентированы таким образом, что образуют два неодинаковых спиральных желобка, которые идут параллельно главной оси. Эти желобки заполнены белками гистонами. Азотистые основания располагаются внутри спирали, почти перпендикулярно основной оси и образуют между цепочками комплементарные пары А…Т и Г…Ц.

Суммарная длина молекул ДНК в каждой клетке достигает 3 см. Диаметр клетки в среднем 10^–5м, диаметр ДНК всего 2 •10^–9 м.

Основные параметры двойной спирали:

* диаметр 1,8 – 2нм,

* на одном витке 10 нуклеотидов

* высота шага витка ~ 3,4 нм

* расстояние между двумя нуклеотидами 0,34 нм .

Основания располагаются перпендикулярно оси цепи.

* направления полинуклеотидных цепей антипараллельное

* связь между фуранозными циклами дезоксирибозы посредством

фосфорной кислоты осуществляется из положения 3` к положению 5`

в каждой из цепей.

Начало цепи – фосфорилирована гидроксильная группа пентозы в положении- 5`, конец цепи – свободная гидроксильная группа пентозы в положении 3`.

В составе ДНК и РНК нуклеозидные фрагменты находятся в анти- конформации : пиримидиновый цикл пурина находится справа от гликозидной связи. Только такое положение позволяет образовать комплементарную пару (см. формулы нуклеотидов)

Между азотистыми основаниями возникают три вида взаимодействий:

1. “Поперечное”, участвуют комплементарные пары двух цепей. Возникает «циклический» перенос электронов между двумя азотистыми основаниями (Т – А, У – Ц), образуется дополнительная  - электронная система, которая обеспечивает дополнительное взаимодействие и защищает азотистые основания от нежелательных химических воздействий. Между аденином и тимином устанавливается две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

2. « Вертикальное» (stacking) , за счет укладывания в “стопки” , участвуют азотистые основания одной цепи. «Стэкинг- взаимодействие» имеет даже большее значение в стабилизации структуры, чем взаимодействие в комплементарных парах

3. Взаимодействие с водой играет существенную роль в поддержании пространственного строения двойной спирали, которая принимает максимально компактную структуру для уменьшения поверхности контакта с водой и направляет гидрофобные гетероциклические основания вовнутрь спирали.

На рис. 9 представлены изображения двойной спирали ДНК и комплементарные пары азотистых оснований.

Рис.9 Двойная спираль ДНК и комплементарные пары азотистых

оснований.

Полимеразная цепная реакция (polymerase chain reaction PCR )- перспективная разработка в химии ДНК. Позволяет синтезировать в больших количествах отдельные участки ДНК или фрагмент нуклеотида.

PCR состоит в синтезе двух коротких олигонуклеотидов, точно связывающихся с концами ДНК, которые будут копироваться. Фермент ДНК-полимераза начинает сборку копий двух цепей, приводящую к получению двух новых цепей ДНК. Нагревание образца вызывает расплетание двойных спиралей и дает новые четыре цепи, которые

используются для образования еще новых четырех цепей и т.д.

Азотистые пуриновые основания претерпевают превращение до мочевой кислоты, лактамная форма которой - двухосновная кислота.

аденин —> гипоксантин —> ксантин —> мочевая кислота

↑

гуанин

Строение солей соответствует таутомерной форме 2,8-дигидрокси-6-оксопурина.

2,8 – дигидрокси - 6-оксопурин.

К наиболее распространенным и важным динуклеотидам организма человека относятся коферменты НАД ⁺, НАДФ ⁺.

Окисленная форма кофермент НАД ⁺

Обучающая задача 1

В триплете одной из цепей ДНК произошла замена аминогруппы аденина на гидроксильную группу. Эта реакция носит название гидролитическое дезаминирование и встречается в биохимических реакциях метаболизма пуриновых и пиримидиновых оснований. Какое соединение образовалось вместо аденина? Какие изменения произошли в структуре двойной спирали ДНК и ее функции?

Решение

1. Запишем формулу аденина и образовавшегося гидроксисоединения гипоксантина (на рисунке приведена его лактамная форма)

аденин гипоксантин

2. Соединение гипоксантин не встречается в составе нуклеиновых кислот и не участвует в образовании триплетного кода. Это означает, что определенный участок ДНК не несет нужной генетической информации для синтеза белка.

3. На этом участке изменяется структура двойной цепи ДНК, поскольку не возникает комплементарная пара с тимином другой цепи.

4. В дальнейшем возникнут измененные в процессе репликации патологические участки ДНК и в процессе транскрипции информационной РНК.

Обучающая задача 2.

При гидролизе какого соединения in vivo образуются уридин и фосфорная кислота? В какой среде проводят гидролиз in vitro? В какой среде следует провести дальнейший гидролиз уридина?

Решение

1.Определим, к какому классу химических соединений относится уридин.

Название этого соединения указывает, что данное соединение - нуклеозид, образованный урацилом и β-D- рибофуранозой (см. табл. ).

Запишем формулу этого соединения.

уридин

2. Нуклеозиды in vivo образуются при гидролизе нуклеотидов (нуклеозидмонофосфатов) с участием ферментов. Гидролиз фосфатной сложноэфирной связи in vitro возможен в щелочной среде. При гидролизе уридинмонофосфата в щелочной среде получаются уридин и фосфорная кислота.

Запишем формулу уридинмонофосфата (вспомните, что 5΄ положение остатка фосфорной кислоты не указывается в названии).

уридинмонофосфат (5΄- уридинмонофосфат )

3. Дальнейший гидролиз нуклеозида проходит по гликозидной связи. Для гидролиза гликозидной связи нужна кислая среда. Образуются два соединения: урацил и рибоза

+ Н2О —( Н⁺)—> + рибоза