
Нуклеиновые кислоты.
В 60-ых годах прошлого столетия Ф. Мишер выделил из ядер клеток вещество кислотной природы, которые он сначала назвал «нуклеин», а впоследствии нуклеиновой кислотой. Биологическая функция этого вещества оставалась неизвестной еще в течение почти столетия, и только в сороковых годах 20 века Эвери, Маклеод и Маккарти установили, что нуклеиновая кислота, собственно ДНК, ответственна за передачу наследственной информации. А с 1953 года, когда Уотсон и Крик сообщили о расшифровки молекулярной структуры ДНК, начался отсчет новой эры в изучении биохимии и биологической функции нуклеиновых кислот. В каждом живом организме присутствуют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В то же время, вирусы содержат только один тип нуклеиновых кислот, либо ДНК, либо РНК. Биологическая функция нуклеиновых кислот (НК) заключается в хранении и передачи генетической информации. Короче, именно НК определяют вид, форму, состав и т.д. живой клетки и ее функции. Что и говорить, роль НК в организме трудно переоценить. Все нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, хотя их размер и масса сильно варьируют. Так, молярная масса транспортной РНК (это особый вид РНК с наименьшей молярной массой из всех НК) составляет около 25000, тогда как отдельные молекулы ДНК (которые вообще относятся к наиболее крупным индивидуальным молекулам, известным к настоящему времени) обладают молярной массой от 10 в 6 до 10 в 9 степени. НК – это высокомолекулярные полимерные соединения, состоящие из мономеров – нуклеотидов, поэтому НК можно назвать и полинуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит 3 различных химических компонента: неорганический фосфат (Ф), моносахарид (С) и азотистое основание (АО), являющееся производным пурина или пиримидина. Эти составные части соединены в следующем порядке: Ф – С – АО. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом одного и фосфатом другого нуклеотида.
Фрагмент полинуклеотидной цепи:
АО
АО АО АО
| | | |
….Ф – С – Ф
– С – Ф – С – Ф – С……
мономерная
эфирные связи
нуклеотидная единиц
фосфодиэфирная связь.
Поскольку в нуклеотиде остаток моносахарида и фосфат соединены эфирной связью то при образовании полинуклеотидной цепи связь С – Ф – С называют фосфодиэфирной. Обратите внимание! АО не участвуют в образовании никаких других ковалентных связей, помимо связывающих их с остатками моносахаридов сахаро-фосфатной цепи. Именно последовательность АО вдоль сахаро-фосфатной цепи определят уникальную структуру и функциональную индивидуальность молекул ДНК и РНК. Термины «нуклеотидная последовательность» и «последовательность азотистых оснований» взаимозаменяемы. Теперь рассмотрим более подробный состав нуклеотидов. Как мы уже говорили, нуклеотид состоит из моносахарида, АО и неорганического фосфата, то есть остатка ФК. Нуклеотиды входящие в состав РНК содержат бета-Д-рибозу, а входящие в состав ДНК – бета-Д-дезоксирибозу. И в том и в другом случае это пентозы.
НОН2С
ОН НОН2С
О ОН
О
Н Н Н
Н Н Н Н
Н
ОН Н
ОН ОН -Д-2-дезоксирибоза
-Д-рибоза
Б
уквы
и Д отражают
специфическую конфигурацию при атомах
С1 и С4 фуранозного цикла. АО, которые
обычно встречаются в РНК и в ДНК – это
производные пурина (аденин и гуанин) и
пиримидина (цитозин, тимин, урацил).
N
N N
N NH N
Пурин Пиримидин
NH2 OH
N N
N N
NH2
N NH N NH
Аденин (А) Гуанин (Г)
(6-аминопурин) (2-амино,6-оксипурин)
(содержится в РНК и ДНК) (содержится в РНК и ДНК)
OH NH2 NH2
N
N
N CH3
HO N HO N HO N
Урацил (2,4-диокси- Цитозин (2-окси,4-амино- тимин (2,4-диокси,5-метил-
пиримидин) (РНК) пиримидин) (РНК+ДНК) пиримидин (ДНК, тРНК).
А
О
свойственно явление таутомерии:
OH O
||
N HN
HO O
N N
Урацил (енольная форма) Урацил (кето-форма)
Встречаются в составе ДНК и РНК и минорные АО. То есть такие АО, которые встречаются достаточно редко. Например, в составе ДНК встречается
5 -метилцитозин, а в составе РНК (особенно транспортной) – 4-тиоурацил дигидроурацил:
NH2 S O
|
||
||
N CH3 HN HN CH2
СН2
O NH O NH O NH
5-метилцитозин 4-тиоурацл Дигидроурацил
(ДНК) (некоторые тРНК) (некоторые тРНК)
Благодаря своей гетероциклической ароматической природе пурины и пиримидины поглощают электромагнитную энергию в ультрофиолетовом диапазоне. Максимум поглощения находится в 260 нм. Следовательно, и нуклеотиды и НК также поглощают в ультрофиолетовом диапазоне. Причем, каждое соединение имеет характеристический спектр поглощения. На этом свойстве основаны: 1)лабораторные методы обнаружения и количественного определения НК. 2) Ультрофиолетовая микроскопия живых тканей. 3) Мутагенный эффект УФ – облучения.
Мы познакомились со структурой составных частей нуклеотидов. Обратимся к структуре нуклеотида. Фрагмент нуклеотида, представляющий собой АО с присоединенным к нему углеводным остатком называется нуклеозидом. В нуклеозидах ковалентная связь образована С1- атомом сахара и N1- атомом пиримидина или N9 атомом пурина. В соответствии с номенклатурой углеводов эта связь называется гликозидной. Для наиболее распространенных рибонуклеозидов, входящих в состав РНК, приняты тривиальные названия: аденозин, гуанозин, уридин, цитидин. Обычно встречающиеся в ДНК дезоксирибонуклеозиды называются дезокси аденозин, дезоксигуанозин, дезоситимидин, дезоксицитидин. Примеры:
O NH2
HN N N
O N N
N
HOH2C O HOH2C O
H H
H H H H H H
OH OH OH H
Уридин Дезоксиаденозин.
Мы уже говорили, что нуклеозиды являются фрагментами нуклеотидов, однако, некоторые из них встречаются в свободном состоянии, например пуромицин (мощный антибиотик, действующий как ингибитор биосинтеза белков). Мы рассмотрели образование и виды нуклеозидов. Нуклеотид же представляет собой нуклеозид с присоединенной эфирной связью к углеводному остатку фосфатной группой. В образовании связи участвует 5` -угллеродный атом пентозы. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды можно разделить на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды. Затем в зависимости от имеющегося числа остатков ФК различают нуклеозидмонофосфаты, - дифосфаты и –трифосфаты.
А
денозин
– 5` - монофосфат (АМФ) О
NH2
Ф осфат (АМФ) ||
( адениловая кислота) HO - P – N
|
N
OH
А
денозин-5`-дифосфат
АДФ O O
N
||
|| N
OH – P – O - P –
| |
OH
OH OH2C
O
Аденозин–5`-трифосфат АТФ O O O H H
|| || ||
HO – P – O – P – O – P – H H
| | | OH OH
OH OH OH аденозин
Все эти три вида нуклеотидов постоянно присутствуют в клетке.
Циклические нуклеотиды: аденозин – 3`,5` - цикломонофосфат, или просто цАМФ – широко распространенный нуклеотид, имеющий огромное биологическое значение.
NH2
N N
N N цАМФ
O H2C
| O
O = P
H H
| H H
OH
O OH
Впервые выделил
Сазерленд в 1959 году при изучении механизма
действия адреналина при регулирование
обмена углеводов. При этом было
установлено, что адреналин, в первую
очередь активирует фермент, отвечающий
за синтез цАМФ (аденилатциклаза). А уже
затем цАМФ контролирует активность
других ферментов. Контроль через
образование цАМФ часто осуществляется
благодаря аллостерической активации.
В связи с этим, при объяснении промежуточной
регуляторной роли цАМФ иногда используют
термин «вторичный медиатор», тогда как
адреналин выступает в роли первичного
регулятора. Подобная стратегия (с
использованием вторичного медиатора)
характерна для многих процессов во всех
типах организмах и клеток. Известны еще
2 циклических нуклеотида: циклический
гуанозинмонофосфат (цГМФ) и циклический
цитидинмонофосфат (цЦМФ). О цЦМФ данных
накоплено мало. В то же время цГМФ
обнаружен во многих организмах. Он
действует таким же образом, как и цАМФ,
но вызывает противоположный эффект, то
есть является ингибитором ферментов.
В некоторых случаях цАМФ и цГМФ оказывают
противоположное действие на один и тот
же фермент. Образуются они из соответствующих
нуклеозидтрифосфатов под действием
аденилатциклазы и гуанилатциклазы. В
их расщеплении участвует циклическая
фосфодиэстераза. Мы рассмотрели строение
различных нуклеотидов, в том числе и
циклических. Нуклеозидтрифосфаты играют
важную роль в обеспечении нормальной
жизнедеятельности клетки (например,
ЦТФ принимает участие в биосинтезе
фосфолипидов, УТФ используется в
биосинтезе и взаимопревращениях
различных углеводов и т.д.). Однако, среди
них особое положение занимает одна из
функций АТФ – во всех живых клетках АТФ
выступает в качестве депо для хранения
и переноса химической энергии. Проще
говоря , обратимый процесс АТФ
АДФ + Фк составляет молекулярную основу
переноса химической энергии внутри
всех живых клеток. Когда в клетке
разрушается высокоэнергетический
компонент пищи (например, углевод),
освобождающаяся энергия используется
для синтеза АТФ. При нужде клетки в
энергии (синтез, трансмембранный
транспорт, мышечные сокращения), АТФ
разлагается с выделением энергии.
Рассмотрим структуру полинуклеотидов:
полинуклеотиды состоят из нуклеотидов,
соединенных фосфоэфирными связями.
Посколько, фосфатная группа участвует
в образовании двух эфирных связей с
участием С3 – С5 углеродных атомов
сахарных остатков двух соседних
нуклеотидов, эту связь называют 3` - 5` -
фосфодиэфирной связью.
NH2
O
O
|
||
||
N N HN HN __CH3
O = O=
N N N N
O
||
HO–P–OH2C
O H2C
O H2C
O
| H H H H H H
OH H H O O H H O O H H
O
OH || O OH ||
OH OH
P
P
| |
OH OH