ОСНОВЫ БИОХИМИИ 9 страница

1 4 1 4

Н Н Н Н

Н 2 3 Н Н 2 3 Н

ОН НО Н ОН

b-D- Рибоза b-D-2 Дезоксирибоза

Нуклеиновые кислоты, в зависимости от химической природы входящего в их состав сахара, делят на два типа: р и б о н у к л е и н о в ы е (РНК), содержащие рибозу, и д е з о к с и р и б о н у к л е и н о в ы е (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Пуриновые азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными п у р и н а, молекула которого состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола: - а д е н и н (А) и г у а н и н (Г):

NH₂ O

ê êê

6 N N N

N1 5 7 N NH

2 4 9

3 N N N

N ê N ê H₂N N ê

H H H

Пурин Аденин (А) Гуанин (Г)

Пиримидиновые азотистые основания являются производными п и р и м и д и н а. Из пиримидиновых оснований в составе нуклеиновых кислот постоянно обнаруживают ц и т о з и н (Ц), у р а ц и л (У), т и м и н (Т):

NH₂ О O

4 ê ÷ ç ÷ ç

N3 5 N _¾CH₃

NH NH

2 6

1 O N O N O N

N ê ç ç

H H H

Пиримидин Цитозин (Ц) Урацил (У) Тимин (Т)

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга составом азотистых оснований. В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в состав РНК - аденин, гуанин, цитозин, урацил.

Входящая в состав нуклеиновых кислот ф о с ф о р н а я кислота, придает им свойства кислот.

3.2. Стуктурные компоненты нуклеиновых кислот.

Полинуклеотиды

Структурными компонентами нкулеиновых кислот являются нуклеотиды или мононуклеотиды.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Сахар в нуклеотидах занимает среднее положение. При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты остается еще более простое соединение - н у к л е о з и д.

Примеры химического строения нуклетидов и нуклезидов приведены ниже.

Нуклеотиды, содержащие рибозу, называют общим словом рибонуклеотиды, а содержащие дезоксирибозу - дезоксирибонуклеотиды. Названия отдельных нуклеозидов и нуклеотидов с указанием входящих в них азотистых оснований приведены в табл. 3.1. Следует отметить, что в названии нуклеотидов используют два подхода: их рассматривают как кислоты (например, адениловая кислота и др.) или как фосфорные эфиры (например, аденозинмонофосфат и др.).

В таблице приведены названия нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих рибозу. В названии рибозных производных тимина часто употребляют приставку “рибо”: риботимидин, риботимидиловая

Таблица 3.1 Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов

Азотистые основания	Нуклеозиды	Нуклеотиды полное название	сокращенное название
Аденин	Аденозин	Адениловая кислота (аденозинмонофосфат)	АМФ
Гуанин	Гуанозин	Гуаниловая кислота (гуанозинмонофосфат)	ГМФ
Цитозин	Цитидин	Цитидиловая кислота (цитидинмонофосфат)	ЦМФ
Урацил	Уридин	Уридиловая кислота (уридинмонофосфат)	УМФ
Тимин	Тимидин	Тимидиловая кислота (тимидинмонофосфат)	ТМФ

кислота (риботимидинмонофосфат). Если в состав нуклеозида или нуклеотида входит дезоксирибоза, то перед полным названием каждого из них ставится приставка “дезокси”, а перед сокращенным названием - строчная буква “д”, например, дезоксиаденозин, дезоксиадениловая кислота (дезоксиаденозинмонофосфат, дАМФ).

Приводим примеры химического строения нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих аденин и цитозин:

NH₂ NH₂

½ ½

6 N 4

N 1 5 7 N 3 5

2 4 8 2 6

3 9 O= 1

N N O 5¢ N O 5¢

CH₂ OH CH₂ OH

1¢ H H 4¢ 1¢ H H 4¢

H 2¢ 3¢ H H 2¢ 3¢ H

OH OH OH OH

Аденозин Цитидин

NH₂ NH₂

½ ½

6 N 4

N 1 5 7 N 3 5

2 4 8 2 6

3 9 ОН O= 1 ОН

N N O 5¢ ½ N O 5¢ ½

Н₂ C-О-Р=O Н₂C-О-Р=O

1¢ H H 4¢ ½ 1¢ H H 4¢ ½

H 2¢ 3¢ H ОН H 2¢ 3¢ H ОН

OH OH OH OH

Адениловая кислота Цитидиловая кислота

Остальные нуклеозиды и нуклеотиды, освобождающиеся при гидролизе нуклеиновых кислот, имеют аналогичное химическое строение. Для записи нуклеотидов и их компонентов существует схематическая символика (приводим одну из них):

Нуклеотид Фосфат Пентоза Основание

Нуклеиновые кислоты представляют собой п о л и н у к л е о т и д ы. Последовательно расположенные в молекулах нуклеиновых кислот нуклеотиды ковалентно соединены друг с другом при помощи фосфатных “мостиков”. Роль этих мостиков выполняет ф о с ф о д и э ф и р н а я связь между С-3¹ рибозы или дезоксирибозы одного нуклеотида и С-5¹ рибозы или дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рис 3.1). Связь между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах обозначют как 3¹ ¾®5¹ фосфодиэфирную связь.

Рис. 3.1 Строение фрагмента нуклеиновой кислотыI - полусхематическая и II - схематическая форма записи; 1 и 2 - фосфодиэфирная связь; А, Г, Ц, - азотистые основания; у РНК R - есть группа -ОН, а у ДНК R - -Н.

Из строения фрагмента нуклеиновой кислоты видно, что на одном его конце при 5¹-углеродном атоме пентозы нуклеотид содержит остаток фосфорной кислоты, а на противоположном конце при 3¹-углеродном атоме пентозы - гидроксильную группу. Такие нуклеотидные остатки образуют 5¹ и 3¹-концы полинуклеотидных цепей в молекулах нуклеиновых кислот.

3.3. Строение и билогическая роль ДНК

ДНК служит универсальным хранителем и источником наследственной информации, записанной в виде специальной последовательности нуклеотидов и определяющей свойства живого организма. Ее молекулярная масса колеблется от 10⁷ до 10⁹, а число нуклеотидных остатков в молекуле достигает нескольких сотен тысяч и даже миллионов. Как уже было сказано, из главных азотистых оснований в ДНК содержится аденин, гуанин, цитозин и тимин.

Основная масса ДНК сосредоточена главным образом в ядрах клеток. Некоторое ее количество содержится в митохондриях и хлоропластах. ДНК ядра клеток животных и растений представляет собой не одну молекулу, а состоит из многих молекул, распределенных по разным хромосомам, число которых зависит от вида организма.

На основании работ Э.Чаргаффа с сотрудниками и результатов рентгеноструктурного анализа М.Уилкинса и Р.Франклин, а также с учетом химических данных, полученных другими авторами, Д.Уотсон и Ф.Крик предложили в 1953 году модель стуктуры ДНК.

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо вокруг одной и той же оси образуя двойную спираль.

В силу пространственного соответствия структур двух молекул соединяться водородными связями могут лишь аденин с тимином и наоборот, а также гуанин с цитозином и наоборот. Причем между аденином и тимином образуются две вородные связи, а между гуанином и цитозином – три (рис.3.2).

Пространственное соответствие структур двух молекул (в случае ДНК пуринов и пиримидинов) получило в химии название к о м п л ем е н т а р н о с т и. Вследствие комплементарности нуклеотидная последовательность одной цепи ДНК однозначно определяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Модель молекулы ДНК позволяет объяснить механизм передачи генетической информации, закодированной в ДНК, от одного поколения к другому. По этому механизму цепи ДНК разделяются и вдоль каждой из них синтезируется новая цепь, что дает в результате две новые молекулы ДНК, по одной на каждую из двух дочерних клеток (рис 3.4). Синтез дочерней молекулы двухцепочечной ДНК, идентичной родительской двухцепочечной ДНК получил название р е п л и к а ц и я.

Рис. 3.2 Схематическое изображение струтуры молекулы ДНК

1.Малая борозда; 2.Большая борозда; 3.Углеводно-фосфатный остов; 4.Азотистые основания; 5.Водородные связи между азотистыми основаниями.

Рис. 3.4 Схема репликации ДНК

-А-Т-А-Ц-Г-

: : : : :

-А-Т-А-Ц-Г -Т-А-Т-Г-Ц-

-А-Т-А-Ц-Г

: : : : :

-Т-А-Т-Г-Ц

-Т-А-Т-Г-Ц -А-Т-А-Ц-Г-

: : : : :

-Т-А-Т-Г-Ц-

У нуклеиновых кислот, как и у белков, различают первичную, вторичную и третичную структуры.

3.4. Строение и биологическая роль РНК

Рибонуклеиновые кислоты представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Последовательность нуклеотидов,т.е. первичная структура, различных РНК, содержащихся в клетке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК -матрице. РНК имеют также вторичную и третичную структуры.

В зависимости от функций и местонахождения в клетке РНК делят на три основных типа: рибосомные (рРНК), информационные, или матричные (иРНК , или мРНК) и транспортные (тРНК).

Р и б о с о м н ы е РНК (рРНК) составляют до 80-90% от всей РНК клетки. Они содержатся в рибосомах - внутриклеточных органеллах, принимающих участие в биосинтезе белка.

М а т р и ч н ы е РНК (мРНК) составляют около 5% общей массы рибонуклеиновых кислот клетки. Их молекулярная масса колеблется в пределах 300 тыс - 2млн. Функция мРНКзаключается в переносе генетической информации, записанной в ДНК, на синтезируемый белок.

Нуклеотидный состав мРНК подобен нуклеотидному составу одного из участков цепи ДНК, т.е. тройка оснований в ДНК (кодоген, или рождающий код) определяет соответствующую тройку оснований (кодон) в молекуле мРНК. Матричные РНК присутствуют в ядре (где они синтезируются) и в цитоплазме.

Функции тРНК заключаются в доставке аминокислот к рибосомам, взаимодействии с мРНК и рибосомами в процессе биосинтеза белка. Для перноса каждой аминокислоты имеется своя собственная тРНК, а для некоторых из них известно несколько тРНК и общее число видов тРНК доходит до 60.

Рис. 3.5. Структура тРНК типа клеверного листа 1,2 и 3 - основные петли; 4 - минорная петля; 5 - антикодон; 6 - водородные связи; 7 - акцептиру-ющий аминокислоту стебель

Форма молекулы транспортных РНК укладывается в структуру, получившую название типа к л е в е р н о г о л и с т а (рис 3.5).

3.5.Свободные нуклеотиды и их производные. Динуклеотиды

Нуклеотиды не только входят в состав нуклеиновых кислот,но также в значительных количествах содержатся в клетках в свободном состоянии.

Нуклеотиды в своем составе могут содержать еще дополнительно один или два остатка фосфорной кислоты, т.е. встречаться в клетках в виде нуклеозид-5¹-дифосфатов (НДФ) и нуклеозид-5¹-трифосфатов (НТФ). В названии каждого из этих соединений учитываются входящие в его состав основание и пентоза.