7.2. Нуклеотиды.

Нуклеотидами называются фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5' или С-3' в остатке рибозы или дезоксирибозы (атомы цикла азотистых оснований нумеруют обычными цифрами, пентозного цикла – цифрами со штрихом). Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), с другой — как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).

За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН » 7 находятся в полностью ионизированном состоянии.

Для нуклеотидов используют два вида названий. Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка (например, аденозин-3'-фосфат, уридин-5'-фосфат), другое строится с добавлением суффикса -овая кислота к названию остатка пиримидинового или пуринового оснований (например, 3'-адениловая или 5'-уридиловая кислота)). По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литературе широко используются их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например, аденозинмонофосфат – AMФ (в латинской транскрипции АМР) для аденозин-5'-фосфата и т.д.

Строение некоторых нуклеотидов:

Строение полинуклеотидов.

Многообразие существующих молекул ДНК и РНК определяется их первичной структурой – последовательностью нуклеотидных остатков в составе полимерной цепи, связи в которой формируются за счет этерификации группы ОН у атома С₃ пентозы одного нуклеотида фосфатным остатком другого нуклеотида. Такую связь иначе называют фосфодиэфирной.

В составе молекулы ДНК выделено значительно большее число нуклеотидных остатков, чем в молекуле РНК. Молекулярная масса ДНК порядка 10 млн; ДНК в условиях клетки нерастворима.

Первичная структура нуклеиновых кислот – нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность, т.е. порядок чередования нуклеотидных звеньев. Устанавливают нуклеотидный состав, исследуя продукты гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые в свою очередь способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

Химический гидролиз ДНК почти не применяют из-за осложнения его побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный гидролиз под действием нуклеаз. Обычно для этой цели используют змеиный яд, в котором содержатся ферменты, расщепляющие фосфодиэфирные связи. Такие ферменты проявляют специфичность по отношению к разным типам нуклеиновых кислот.

Вторичная структура ДНК – это пространственная организация полинуклеотидной цепи.

М акромолекулы ДНК связаны между собой попарно при помощи водородных связей в виде двойной спирали постоянного диаметра. Остатки нуклеиновых оснований направлены внутрь спирали, диаметр которой равен примерно 2 нм. На один виток спирали приходится 10 пар оснований. Для обеспечения наибольшей устойчивости этой структуры водородных связей должно быть максимально много. Это достигается определенным соответствием в расположении остатков оснований одной спирали по отношению к остаткам другой: тиминовые группы располагаются напротив адениновых (между ними образуются две водородные связи), цитозиновые — напротив гуаниновых (между ними образуются три водородные связи). Эти основания составляют комплементарные пары. Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания карбонильной группой другого, а также между амидным и иминным атомами азота.

^{тимин аденин цитозин гуанин}

Полный или частичный разрыв водородных связей, ведущий к раскручиванию полинуклеотидных цепей нуклеиновой кислоты и их последующему разделению, называют денатурацией.

Нуклеиновые кислоты содержатся во всех живых организмах и играют исключительно важную роль в биосинтезе белков, а также в передаче наследственных свойств. В организме нуклеиновые кислоты в основном находятся в составе смешанных биополимеров — нуклеопротеинов. Как следует из названия, структурными компонентами таких образований являются нуклеиновые кислоты и белки.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно находятся в рибосомах, а также протоплазме клеток. Основная роль РНК заключается в непосредственном участии в биосинтезе белка.

Известны 3 вида клеточных РНК: транспортная (тРНК); информационная или матричная (мРНК); рибосомная (рРНК).

Типовые задачи и их решение

Задача ХХII. В состав каких молекул (РНК или ДНК) может входить гетероциклическое основание тимин? Приведите структурную формулу тимидина. В какой таутомерной форме входит в его состав нуклеиновое основание? Какое основание комплиментарно по отношению к тимину? Приведите строение этой комплиментарной пары и обозначьте водородные связи.

Р ешение. Гетероциклическое основание тимин входит в состав молекул ДНК в лактамной форме. Комплементарным тимину основанием является аденин.

^{Тимидин (dТ) Тимин – аденин}

Задачи для самостоятельного решения:

7.1. В состав каких молекул может входить цитозин? Приведите структурную формулу цитидина. В какой таутомерной форме входит в его состав нуклеиновое основание?

7.2. В состав каких молекул может входить тимин? Приведите структурную формулу тимидина. В какой таутомерной форме входит в его состав нуклеиновое основание?

7.3. Какое основание комплиментарно по отношению к цитозину? Приведите строение этой комплиментарной пары.

7.4. Может ли возникнуть комплиментарное взаимодействие между урацилом и гуанином? Ответ поясните.

7.5. Может ли возникнуть комплиментарное взаимодействие между аденином и гуанином? Ответ поясните.

7 .6. Среди приведённых ниже соединений, выберите основание, комплементарное тимину:

7.6. В чём состоят различия в структуре ДНК и РНК? Различаются ли функции в организме ДНК и РНК? Если да, то в чём состоит это отличие?

7.7. Какая связь образуется между пиримидиновым основанием и монозой в нуклеозидах?