КНОРРЕ_3227

ными оказались селекционные подходы, такие как молекулярная селекция нуклеиновых кислот и фаговый дисплей. Впечатляющие успехи в развитии компьютерной техники позволили с достаточной степенью точности рассчи­ тывать пространственные структуры биополимеров, их комплексов и дина­ мику их взаимодействий.

Поэтому остро назрела необходимость в создании пособия, отражающего не только основные вехи становления биоорганической химии в период, предшествующий написанию указанной монографии, но и ее последующие достижения.

Следует подчеркнуть, что не всегда какую-либо биологическую проблему однозначно можно отнести к биоорганической химии, поскольку разные ас­ пекты одной и той же проблемы могут касаться разных дисциплин, состав­ ляющих физико-химическую биологию. Поэтому при написании данного учебного пособия авторы не задавались целью ограничиться рассмотрением вопросов, относящихся строго к биоорганической химии, а сделали акцент на те проблемы физико-химической биологии, при решении которых необходи­ мо обращаться к органической химии.

Поскольку большое число задач, решаемых биоорганической химией, на­ правлено на выяснение структурных основ функционирования биологически значимых органических соединений, в особенности биополимеров, авторы сочли целесообразным вкратце рассмотреть их основные функции.

Большую признательность авторы выражают сотрудникам институтов ИХБФМ и ИЦГ Сибирского отделения РАН, с которыми авторы неоднократ­ но обсуждали многие вопросы представляемого материала. Ряд вопросов хи­ мии рибонуклеиновых кислот были конструктивно обсуждены с А. Г. Веньяминовой. Ценные рекомендации, касающиеся секвенирования нуклеиновых кислот, были даны И. В. Морозовым. В описании MS/MS сек­ венирования белков большую помощь оказала бывшая сотрудница института Ю. В. Герасимова. Не будучи специалистами в области биоинформатики, ав­ торы попросили написать краткую главу по применению этой области знаний в биоорганической химии сотрудника Института цитологии и генетики СО РАН Д. А. Афонникова.

Особую благодарность авторы выражают сотруднице ИХБФМ СО РАН Надежде Свищевой за огромную работу при написании и окончательной под­ готовке рукописи к изданию, в том числе многочисленных рисунков и хими­ ческих формул.

Введение

Жизнь прежде всего предполагает размножение, т. е. производство по­ томства, полностью или в основном копирующего своих предков. Поскольку любой живой организм устроен чрезвычайно сложно, то он должен содер­ жать информацию о своем строении, и основная часть этой информации обя­ зательно передается из поколения в поколение и реализуется на определен­ ных этапах его жизнедеятельности. Носителем информации являются нук­ леиновые кислоты - обязательные компоненты всех существующих на зем­ ном шаре живых организмов. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) слу­ жат хранилищем этой информации. Рибонуклеиновые кислоты (РНК) участ­ вуют в ее реализации.

Использование этой информации для построения, функционирования и развития живого организма предполагает многочисленные химические процессы. Для этого нужны специальные катализаторы (ферменты или энзи­ мы), которые обеспечивают протекание этих процессов с высокой направ­ ленностью и достаточно большой скоростью при температуре живых орга­ низмов. В подавляющем большинстве случаев ферментами являются белки или их комплексы со специальными органическими молекулами (кофактора­ ми) или ионами металлов. Поэтому белки - второй класс соединений, обяза­ тельный для всех живых организмов. Наряду с формированием энзимов бел­ ки выполняют такие важные специфические функции, как регуляция биохи­ мических процессов и перенос веществ в организмах.

Белки и нуклеиновые кислоты являются полимерами. Однако, в отличие от многочисленных широко производимых в промышленности и используе­ мых в практической деятельности полимеров, а также таких природных по­ лимеров, как целлюлоза, крахмал, хитин, они построены из нескольких типов мономеров с нерегулярным и строго определенным чередованием в полимер­ ной цепи. Поэтому их часто рассматривают как особый тип полимеров и обо­ значают как биополимеры.

Исключительно важную роль в обмене веществ, в том числе такого осно­ вополагающего для существования жизни на земле процесса, как фотосинтез (восстановление углекислого газа до органических соединений под действи­ ем солнечного света), играют углеводы, в первую очередь глюкоза. Название углеводы происходит от того, что по своему химическому составу они могут быть представлены как продукт соединения некоторого числа атомов углеро­ да и молекул воды. Глюкоза, а также некоторые ее изомеры и их димеры об­ ладают сладким вкусом. Поэтому соединения этого класса часто называют сахарами, а мономерные сахара - моносахаридами. В природе небольшие (содержащие 5 или 6 атомов углерода) молекулы углеводов часто присутст­

12 Введение

вуют в виде полимеров (полисахаридов), одни из которых играют роль запас­ ных веществ для производства энергии, а другие обеспечивают механиче­ скую прочность (целлюлоза у деревьев, хитин у насекомых). Важные биоло­ гические функции выполняют также ковалентные аддукты углеводов и белков (гликопротеиды, протеогликаны).

Одной из наиболее фундаментальных теорий биологии является клеточ­ ная теория, согласно которой все живые организмы - от простейших до чело­ века - построены из клеток. Все бесчисленные биохимические процессы, включая процессы умножения и реализации наследственной информации, происходят в некотором изолированном пространстве, ограниченном от ок­ ружающей среды, а в случае многоклеточных организмов - также и от струк­ тур того же организма. Роль этого ограничителя играют клеточные мембра­ ны, обязательным компонентом которых являются липиды. Следовательно, последние - неотъемлемый компонент всех живых систем.

Помимо мономеров, которые объединяются в соответствующие биополи­ меры, в живых организмах синтезируются и самостоятельно функционируют многочисленные другие классы низкомолекулярных соединений. Некоторые из них возникают и проявляют свои биологические функции преимуществен­ но на более высоких уровнях организации живых систем. В первую очередь это относится к гормонам, которые образуются в специальных органах и дей­ ствуют на определенные ткани у многоклеточных организмов. Ферменты часто представляют собой комплексы белков с некоторыми особыми органи­ ческими соединениями (их часто называют лигандами). Они синтезируются из специальных предшественников, которые у одноклеточных организмов получаются в результате определенных биохимических процессов, а много­ клеточные организмы часто получают их из продуктов питания. Такие пред­ шественники в этом случае называются витаминами. Без описания гормонов и витаминов изложение материала, касающегося перечисленных выше важ­ нейших функций организмов, было бы неполным.

Большое практическое значение имеет еще один класс низкомолекуляр­ ных соединений - антибиотики. Они являются веществами, производимыми некоторыми специальными видами бактерий подавляющими развитие конку­ рирующих микроорганизмов. Антибиотики эффективны против многих бакте­ риальных заболеваний и часто используются как противоопухолевые средства.

В данном учебном пособии систематически рассматривается биооргани­ ческая химия всех перечисленных классов соединений. Первые пять глав по­ священы рассмотрению нуклеиновых кислот, линейных полимеров, постро­ енных из четырех типов сложных органических молекул - нуклеотидов. В первой главе описываются общая схема строения и основные функции нук­ леиновых кислот. Во второй главе - важнейшие физические и химические свойства нуклеотидов. Информационное содержание нуклеиновых кислот определяется тем, в каком порядке располагаются в цепи эти мономеры. По­ этому важной задачей биоорганической химии является установление поряд­ ка расположения нуклеотидов в нуклеиновых кислотах (первичная структу­

13

ра). Чрезвычайно важной для хранения, реализации и размножения информа­ ции является пространственная структура нуклеиновых кислот. Поэтому при изложении биоорганической химии нуклеиновых кислот в отдельные главы выделены вопросы об их первичной (гл. 3) и пространственной (гл. 4) струк­ туре. Глава 5 описывает химический синтез нуклеиновых кислот.

Последующие пять глав посвящены белкам, которые представляют собой линейные полимеры, построенные из набора 21 аминокислоты. Их рассмот­ рение проводится по той же схеме, что и для нуклеиновых кислот. Глава 6 описывает основные принципы строения и важнейшие функции белков; гл. 7 - основные физические и химические свойства белков и составляющих их аминокислот; гл. 8 - первичную структуру белков; гл. 9 - их пространствен­ ную структуру; гл. 10 - химический синтез.

Набор белков, присутствующих в клетке или в живом организме в целом, является их важнейшей характеристикой, этот набор принято называть протеомой клетки или организма. Область биологии, занимающаяся изучением этого набора и принципов его функционирования в норме и при различных патологиях, получила название протеомики.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты имеют многообразные практиче­ ские применения в научных исследованиях и в решении ряда прикладных задач. При этом часто необходимы не сами биополимеры, а их производные. В связи с этим в гл. 11 дается описание методов и задач получения производ­ ных (дериватизации) белков и нуклеиновых кислот.

Важной особенностью обеих перечисленных групп соединений является наличие у некоторых их представителей способности к высокоселективным взаимодействиям между собой и с определенными высоко- и низкомолеку­ лярными веществами (сродства или аффинности к молекулам этих веществ). Описанию типов этих взаимодействий и некоторым их приложениям посвя­ щена гл. 12 учебного пособия. В связи с высокой значимостью для понима­ ния механизма ряда важнейших биологических процессов взаимодействий белков с нуклеиновыми кислотами эти взаимодействия также нашли отраже­ ние в гл. 12.

Биоорганической химии двух других важных классов соединений - угле­ водов и липидов - посвящены соответственно гл. 13 и 14.

Среди большого числа важных биологических структур и процессов биоорганическая химия особенно глубоко проникла в понимание на химическом уровне функционирования ферментов и биологических мембран. В связи с этим принципы строения и основные функции биологических мембран рас­ сматриваются самостоятельно (гл. 15). В отдельную главу (гл. 16) выделен вопрос о химии ферментов с основным акцентом на химические аспекты функционирования как отдельных белковых компонентов, так и входящих в состав ферментов кофакторов.

Рассмотрение гормонов проводится в гл. 17, а витаминов - в гл. 18. Описанию структуры важнейших антибиотиков и механизма их действия

посвящена гл. 19.

14 Введение

Сегодня биоорганическая химия оперирует с огромными массивами ин­ формации, что невозможно без использования высокопроизводительных компьютеров. В связи с этим сформировалась новая область биологии - био­ информатика. Некоторые из многочисленных возможностей, открываемых биоинформатикой для решения задач биоорганической химии, излагаются в главе 2 0 .

Одной из важнейших задач физико-химической биологии и ее приложе­ ний является синтез нуклеиновых кислот, в значительной мере - синтез ге­ нов. Этот синтез осуществляется поэтапно. Сначала получают фрагменты нуклеиновых кислот - олигонуклеотиды. Затем их соединяют в полные моле­ кулы нуклеиновых кислот. Для реализации информации, заложенной в полу­ ченных генах, их вводят в живые системы. Первый этап осуществляется хи­ мическим путем и, следовательно, определенно является предметом биоорга­ нической химии. Второй этап - сборка олигонуклеотидов в биологически значимые генетические структуры - в настоящее время в основном использу­ ется ферментативное соединение олигонуклеотидов с помощью фермента ДНК-лигазы, что, строго говоря, является биохимическим, а не биоорганическим подходом. Полученные гены обычно встраивают в специальные конст­ рукции, плазмиды, чтобы в составе живой клетки они могли осуществлять синтез белка или белков, программируемых созданным геном. Это уже отно­ сится к молекулярной биологии или, точнее, к ее разделу, называемому гене­ тической инженерией. Отсутствие некоторых сведений об основных пред­ ставлениях и методах биологической химии и генетической инженерии сде­ лало бы изложение вопроса о синтезе нуклеиновых кислот неполным. Поэто­ му там, где это необходимо для полноты представления об обсуждаемом во­ просе, авторы описывают подходы смежных областей физико-химической биологии.

Данное учебное пособие написано для студентов и аспирантов, хорошо знакомых с основами органической и физической химии. Авторы надеются, что оно также окажется полезным и для специалистов других областей науки, желающих получить представление о сегодняшнем состоянии и возможно­ стях биоорганической химии, которая является химическим фундаментом современной биологий.

Глава 1. Нуклеиновые кислоты. Строение и главные функции

§ 1.1. Мономеры, формирующие нуклеиновые кислоты

Для образования в живом организме (биосинтезе) набора белков, харак­ терных для этого организма, должна существовать некоторая управляющая система, которая содержит информацию о том, какие именно последователь­ ности аминокислот нужно собирать в данном организме. Эта управляющая система образована нуклеиновыми кислотами. Первичным материальным но­ сителем такой информации является дезоксирибонуклеиновая кислота, со­ кращенно ДНК. Промежуточным переносчиком информации от ДНК, кото­ рая является местом хранения этой информации, к месту сборки новых полипептидных цепей является рибонуклеиновая кислота (РНК). Следует сразу отметить, что роль РНК этим не ограничивается, позднее будут приведены и другие ее функции.

Нуклеиновые кислоты являются линейными полимерами, построенными из нуклеотидов в качестве мономеров. Нуклеотиды представляют собой ве­ щества, молекулы которых состоят из трех основных фрагментов: содержа­ щего азот гетероцикла определенной структуры, сахара пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Основные гетероциклы, вхо­ дящие в состав нуклеиновых кислот, - это урацил, тимин, цитозин, аденин

и гуанин. Часто эти гетероциклы называют гетероциклическими основаниями.

Три последних входят в состав как ДНК, так и РНК. Нуклеотиды, содержа­ щие урацил, в основном входят в состав РНК, а содержащие тимин - в ДНК. Три первых гетероцикла являются производными 2-оксо-1,2-дигидро­ пиримидина. Остальные два имеют в своей основе пурин, который представ­ ляет собой сочлененные пиримидин и имидазол. В соответствии с этим гете­ роциклы, а также соответствующие нуклеотиды, называют пиримидиновыми или пуриновыми. Ниже приведены структуры этих гетероциклов, нумерация, принятая для их атомов, а также их трехбуквенные сокращения, которые в основном используются для изображения гетероциклов в составе нуклеино­ вых кислот и их компонентов.

Соединения, состоящие из одного из этих гетероциклов, гликозилированного циклической формой рибозы или дезоксирибозы (§ 13.1), называют нуклеозидами. Если углеводным фрагментом является рибоза, то обычно эти производные называют рибонуклеозидами. Если же углеводным фрагментом является 2 ’-дезоксирибоза, используется термин дезоксинуклеозид, или дезоксирибонуклеозид. Для атомов пентозы в составе нуклеозидов принята ну­ мерация атомов, соответствующая принятой в химии углеводов, но в составе нуклеозидов эти номера снабжены штрихами. У подавляющего большинства нуклеозидов гликозидная связь образуется атомом С-Г пентозы и атомом N1 пиримидинового или атомом N9 пуринового гетероцикла. Ниже приведены структуры нуклеозидов, образованных перечисленными выше гетероцикла­ ми, и принятые для них трехбуквенные и однобуквенные сокращения, а так­ же нумерация атомов углерода пентозного гетероцикла (на примере уридина).

НОСН

Нуклеотиды представляют собой производные нуклеозидов, у которых одна или несколько ОН-групп связаны с остатком ортофосфорной кислоты. В названии нуклеотида указывается, какая или какие ОН-группы нуклеозидного фрагмента фосфорилированы. Для нуклеотидов используется та же

сокращенная символика, но при изображении свободных нуклеотидов, а час­ то и для их изображения в составе нуклеиновых кислот, добавляется символ «р» для остатка фосфорной кислоты в случае однобуквенной нуклеозидной символики либо Р в случае трехбуквенной нуклеозидной символики. Напри­ мер, аденозин-5’-монофосфат обозначают как рА либо как P-Ado. При этом принято символы фосфорной кислоты записывать слева от символов нуклеозидов, если фосфорная кислота связана с 5’-ОН-группой пентозы. Если сим­ вол помещен справа, то подразумевается, что остаток фосфорной кислоты присоединен к З’-ОН-группе. Часто при использовании сокращенной симво­ лики перед символом дезоксирибонукпеозидов ставится префикс «d» для то­ го, чтобы отличить их от рибонуклеотидов, из которых построены молекулы РНК. Перед дезоксириботимидином этот префикс, как правило, опускают, поскольку указанный нуклеозид входит исключительно в состав ДНК.

§ 1.2. Фосфодиэфирные связи. Первичная структура нуклеиновых кислот. Образование межнуклеотидных связей

Мономерными звеньями нуклеиновых кислот являются нуклеозид-5 - монофосфаты. В составе нуклеиновых кислот 5’-фосфат каждого мономер­ ного звена, за исключением находящегося на конце полимерной цепи, связан фосфоэфирной связью с З’-ОН-группой соседнего звена. Чередующиеся ос­ татки фосфорной кислоты и углевода (дезоксирибозы в случае ДНК и рибозы в случае РНК) образуют регулярную цепь (остов), в которой отдельные зве­ нья связаны фосфодиэфирными связями. Нерегулярность структуры нуклеи­ новой кислоты обусловлена тем, что ко всем С-Г атомам регулярно повто­ ряющихся остатков рибозы и дезоксирибозы нерегулярно, но со специфич­ ной для каждой нуклеиновой кислоты последовательностью, присоединено одно из четырех гетероциклических оснований. Таким образом, нерегулярно расположены в цепи и остатки нуклеотидов. Порядок, в котором расположе­ ны в нуклеиновой кислоте остатки нуклеотидов, называют первичной струк­ турой нуклеиновой кислоты. Пример структуры фрагмента нуклеиновой ки­ слоты приведен на рис. 1.

Из схематичной структуры на рисунке видно, что на одном из концов имеется остаток нуклеозид-5 ’-фосфата. Этот конец полинуклеотидной цепи обозначают как 5’-конец. В некоторых специальных случаях фосфат на 5’-конце может отсутствовать. На другом конце полинуклеотида находится остаток пентозы со свободной З’-ОН-группой в случае ДНК и г/ис-диольной группой в случае РНК. Этот конец полинуклеотидной цепи обозначают как 3’-конец.

p(d)(A-G-T- -G-C) p(d)(AGT GC)

Рис. 1. Пример структуры нуклеиновой кислоты. Она же в сокращенных симво­ лах. Пунктиром обведены гетероциклические основания

Хотя структурной единицей нуклеиновых кислот являются нуклеозид-5’- фосфаты, непосредственное образование из них полинуклеотидных цепей невозможно, поскольку для такого процесса изменение свободной энергии Гиббса AG0 положительно, т. е. процесс термодинамически невыгоден. Мо­ номерами при биосинтезе нуклеиновых кислот являются производные, у ко­ торых нуклеозид в 5’-положении содержит три связанных между собой ан­ гидридными связями остатка фосфорной кислоты - нуклеозид-5’-трифос- фаты. Ниже приведены их структурные формулы, а также формулы нуклео- зид-5’-дифосфатов, которые являются промежуточными соединениями при биосинтезе трифосфатов.