Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – это высоко молекулярные соединения, молярная масса которых составляет от 25тыс. до 1млн. Нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядрах живых клеток в 1869г. Они играют важнейшую роль в переносе генетической информации в живых существах от одного поколения к другому посредствам управления точным ходом биосинтеза белка в клетках. Нуклеиновые кислоты называются полинуклеотидами, это полимеры, цепи которых состоят из мономерных единиц – мононуклеотидов. Каждый мононуклеотид является 3-х компонентным образованием, он включает:

1.гетероциклическое азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое) в лактамной форме.

2.углеродный остаток пентозы (рибозы или дезоксирибозы) в -фуранозном цикле

3.фосфатная группа – остаток Н₂РО₄

В зависимости от углеводородного компонента различают:

· рибонуклеотиды, содержащие остаток рибозы (например, структурные звенья РНК)

· дезоксирибонуклеотиды, содержащие остаток дезоксирибозы (ДНК)

Строение нуклеотидов

Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные азотистым основанием и пентозой. Азотистое основание присоединяется к углеродному компоненту вместо полуацетальной ОН-группы через атом N в положении 1 для пиримидинов и в положении 9 для пуринов, образуя N-гликозидную связь.

Например, образование аденозина из аденина (пуриновое основание) и рибозы.

Основой названия гликозидов является тривиальное название соответствующего азотистого основания с суффиксом “идин” для пиримидиновых и “озин” для пуриновых нуклеотидов. В РНК входят следующие нуклеотиды: аденозин, гуанозин, цитидин, урадин. Их азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин, тимин.

Строение мононуклеотидов

Нуклеотиды – это фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота присоединяется к пятому атому углерода пентозы образуя сложноэфирную связь. Например, рассмотрим образование 5-цитидиловой кислоты.

Нуклеотид имеет два названия:

1.как монофосфат соответствующего нуклеозида: цитидин-5-фосфат (СМР)

2.как кислота: 5-цитидиловая кислота.

Нуклеотиды являются кислотами, т.к. при физиологическом значении рН=7,34-7,36 фосфатные группы ионизированы.

Названия нуклеотидов РНК: аденин-5-фосфат (5-адениловая кислота – АМР); гуанозин-5-фосфат (5-гуаниловая кислота – GМР); цитидин-5-фосфат (5-цитидиловая кислота – СМР); уридин-5-фосфат (5-уридиловая кислота – UMP).

Названия нуклеотидов ДНК: дезоксиаденозин-5-фосфат (5-дезоксиадениловая – dAMP); дезоксигуанозин-5-фосфат (5-дезоксигуаниловая – dGMP); дезоксицитидин-5-фосфат (5-дезоксицитидиловая – dCMP); тимидин-5-фосфат (5-тимидиловая – dTMP).

Строение нуклеотидов РНК:

Строение нуклеотидов ДНК:

Мононуклеотиды – это не только компоненты нуклеиновых кислот, некоторые из них также могут свободно находиться в организме, играя важную роль. Наибольшее значение имеют адениловая кислота и её фосфатно-кислотные производные: аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), выполняющие энергетическую функцию.

Строение АТФ

АТФ относится к макроэнергетическим соединениям. Её энергия заключена между 2 и 3 остатками фосфорной кислоты. При гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для осуществления многих биологических и биохимических процессов, таких как ионный транспорт, электрическая активность нервных клеток, биосинтез белка и др. при физиологическом значении рН (7,35) фосфатные группы АТФ ионизированы и могут образовать связи с катионами металлов, например с катионами Mg²⁺.

Гидролиз АТФ протекает ступенчато:

1.АТФ + Н₂О АДФ + Фн. При этом выделяется свободная энергия G^о=-(25-40) кДж/моль. Значение выделившейся энергии зависит от рН среды, присутствия катионов Mg²⁺ и др.

2.АДФ + Н₂О АМФ + Фн, G^о=-30 кДж/моль.

3.АМФ + Н₂О Аденозин + Фн, G^о=-14 кДж/моль.

Вместе с этим в организме протекают процессы синтеза АТФ – это эндотермические процессы. Энергия, выделяющаяся при биохимическом окислении белков, жиров и углеводов запасается в макроэргических связях АТФ.

Структура нуклеиновых кислот

Структура ДНК

Впервые структура ДНК была расшифрована в 1953г. Уотсоном и Криком. ДНК включает несколько уровней структурной организации. ДНК имеет первичную, вторичную и третичную структуры.

Первичная структура – это последовательность мононуклеотидов, соединённых (35) фосфодиэфирными связями. Полинуклеотидная цепь может включать сотни мононуклеотидных звеньев, соединённых (35) фосфодиэфирными связями, например, эти связи соединяют 5-дезоксиадениловую и 5-дезоксицитидиловую кислоты.

Вторичная стуктура ДНК – это пространственное расположение нуклеотидных цепей в молекуле ДНК. МолекулаДНК определяет собой две полинуклеотидные цепи, правозакрученные с образованием двойной спирали. Эти две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направления фосфодиэфирных связей в них противоположны. В одной цепи 35 в другой 53. Вторичная структура стабилизируется за счёт образования водородных связей между парами комплиментарных азотистых оснований. Комплиментарность обозначает взаимодополняемость. Комплиментарными являютя: А=Т, ГЦ. Между А и Т возникает 2 водородные связи, а между Г и Ц – три водородные связи.

Комплиментарность цепей является химической основой важнейших функций ДНК – переноса и хранения наследственной информации.

Третичная структура ДНК представляет собой многократную спирализацию вторичной структуры, обеспечивая плотную упаковку ДНК в ядрах клеток.

Структура РНК

В основном обладают первичной структурой, сходной со структурой ДНК, только азотистое основание урацил вместо гуанина, углеводный компонент рибоза вместо дезоксирибозы. В зависимости от функций, места нахождения и состава РНК делятся на три основных вида:

1.и-РНК (информационная или матричная) 5-10% от всех РНК в клетке.

2.р-РНК (рибосомная) 80-90%

3.т-РНК (транспортная) 5-10%

Локализованы РНК в основном в цитоплазме и рибосомах, и-РНК несёт точную копию генетической информации, закодированной на определённом участке одной из нитей спирали ДНК, а именно информацию о последовательности аминокислот в белках. Каждой аминокислоте в и-РНК соответствует триплет нуклеотидов – кодон, например, аланину – ГЦЦ, лизину – ЦУУ. Переходя в цитоплазму, и-РНК переносит генетическую информацию к месту биосинтеза белков. Центром биосинтеза является рибосома – сложная структура, состоящая на 50% из и-РНК и на 50% из ассоциированных с ней специфических белков. Вступая в контакт с и-РНК, рибосома считывает заложенную в них информацию.

т-РНК обладает вторичной структурой, напоминающей лист клевера. Рассмотрим вторичную структуру т-РНК, приносящую аланин. Это частично спиралевидная одинарная полинуклеотидная цепь. Участки спирали удерживаются засчёт водородных связей между комплиментарными азотистыми основаниями. В РНК аденин комплиментарен урацилу (А=У), а цитозин – гуанину (ЦГ). Участки, не вовлекаемые в образование водородных связей, образуют петли. Так называемая антикодоновая петля, содержит триплет нуклеотидов – антикодон, который соответствует по принципу комплиментарности кодону в и-РНК.

Рибонуклеопротеиды

В организме нуклеиновые кислоты связаны с белком и образуют два вида нуклеопротеидов:

1.РНП – рибонуклеопротеиды, содержащие РНК и находящиеся в основном в цитоплазме.

2.ДНП – дезоксирибонуклеопротеиды, содержащие ДНК, локализованы в основном в ядре клетки.

Липиды (жиры)

К липидам относятся сложные органические вещества растительного и животного происхождения, разнородные по составу и выполняющие в организме разнообразные функции. Они нерастворимы в воде, но растворяются в неполярных или малополярных растворителях (бензол, эфиры и др.). По способности к гидролизу липиды классифицируют на:

1.омыляемые или подвергающиеся гидролизу

2.неомыляемые – гидролизу неподвергающиеся

Омыляемые липиды в свою очередь делятся на:

1.простые, которые содержат остатки спиртов и высших жирных кислот

2.сложные, кроме остатков спиртов и высших жирных кислот, включают остатки фосфорной кислоты и углеводы

Простые липиды включают:

1.воска – это сложные эфиры высших одноатомных спиртов и высших жирных кислот, выполняющие защитные функции, например, ланолин предохраняет кожу и волосы от воздействия влаги; растительный воск защищает плоды и листья от воздействия воды и микроорганизмов; пчелиный воск или мирицилпальмитат С₁₅Н₃₁-СО-О-С₃₁Н₆₃.

2.жиры и масла – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот, в которых все три гидроксида этерифицированы (оцилированы). В природе встречаются в основном полные эфиры глицерина, поэтому их называют триглицериды (триацилглицерины). Они делятся на простые, включающие остатки одной и той же кислоты, и смешанные, включающие остатки различных кислот. Пример простого – триолеин (триолеилглицерин), смешанного – 1-пальмито-2-олеостеарин (1-пальмитоил-2-олеил-3-стеароинглицерин)

Твёрдые жиры содержат предельные карбоновые кислоты (пальмитиновую, стеариновую и др.), а жидкие (масла) – непредельные кислоты (олеиновая, леноленовая). Так оливковое масло содержит 84% олеиновой кислоты. Таким образом, в состав природных жиров входят жирные кислоты с числом атомов углерода от 16 до 18 (число чётное), их структура не разветвлена. При этом организм синтезирует только предельные и олеиновые кислоты, остальные поступают с пищей, особенно с растительными маслами. Содержание в жирах и маслах непредельных кислот характеризуют йодным числом, которое показывает, какая масса йода в граммах присоединяется к 100г масла или жира по месту разрыва двойных связей. Условно в медицине жирами считаются те глицериды, йодное число которых меньше 70г. Если йодное число больше70г, то это масло.

Биологическая роль и функции жиров

1.жиры являются основными компонентами клеточных мембран

2.участвуют в регуляции деятельности гормонов, ферментов, процессах биологического окисления, транспорта веществ. Примерно 50% массы мозга составляют липиды.

3.хорошие растворители ряда биологически активных веществ: витамины А, Д, Е, К и др., что способствует всасыванию их в кишечнике и усвоению в организме.

4.энергетическая – при окислении 1г жира выделяется 37,7-39,8 кДж энергии. Скандий – 29,5кДж.

5.защищает организм от охлаждения и ушибов.

6.они бифильные, т.е. содержат гидрофильные и и гидрофобные группы и функционируют на границе раздела фаз (анестезирующие препараты хорошорастворяются в липидах и легко проникают через клеточные мембраны).

Недостаток и избыток ведет к патологиям.

Химические свойства триацилглицеринов

Подвергаются гидролизу по трём типам:

1.кислотный (обратимый) (ЛИП3)

2.ферментативный – протекает аналогично кислотному, но в организме и с участием фермента липазы до глицерина и необходимой кислоты. В организме гидролиз – первая стадия утилизации и метаболизма пищевых жиров.

3.щелочной (необратимый) (ЛИП4)

Сложные липиды

Фосфолипиды- содержат остатки фосфорной кислоты. К ним относят производные L-фосфатидовых кислот. (ЛИП5) – главный компонент клеточной мембраны (образует её структуру).

Некоторые представители фосфолипидов:

1.фосфатидилэтаноламин (ЛИП6)

2.фосфвтидилхолин, относится к группе лецитинов. (ЛИП7)

3.фосфатидилсерин (ЛИП8)

4.фосфатидиллинозит, относится к группе инозитолов (ЛИП9).

Он содержится в тканях мозга, обуславливает процессы, связанные с общим обменом белков, жиров и углеводов.

Химические свойства фосолипидов:

1.подвергаются в основном кислотному гидролизу (не исключён щелочной):

· кислотный (фосфатидилинозит + 4воды = глицерин + инозит + Н₃РО₄ + С₁₅Н₃₁СООН + С₁₇Н₃₃СООН) (ЛИП10)

· щелочной (фосфатидилэтаноламин + 5NaОН = глицерин + этаноламин + Nа₃РО₄ + С₁₅Н₃₁ООNa + С₁₇Н₃₃ООNa + вода) (ЛИП11)

2.Сфинголипиды – производные сфингозина – 2-х атомного ненасыщенного аминоспирта (лип12). В нём 18 углеродных звеньев, два – ОН.

Сфингомиелины: церамид (лип13), сфингомиелин (лип14) обнаружены в клетках нервной ткани.

3.гликолипиды – сложные липиды в состав которых входит остаток церамида и углевода (чаще это D-галактоза). Не включает фосфорную кислоту и азотистые основания.

Из гликозидов выделяют:

1.цереброзиды (ЛИП15)

2.ганглиозиды (ЛИП16), включают остаток церамида и олигосахарида (лактоза, мальтоза)