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