Лекция № 19 Нуклеозиды. Нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты

Лекция № 19
НУКЛЕОЗИДЫ. НУКЛЕОТИДЫ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
План

1. Нуклеиновые основания.
2. Нуклеозиды.
3. Нуклеотиды.
4. Нуклеотидные коферменты.
5. Нуклеиновые кислоты.

1. Нуклеиновые основания.
2. Нуклеозиды.
3. Нуклеотиды.
4. Нуклеотидные коферменты.
5. Нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты – присутствующие в
клетках всех живых организмов биополимеры, которые выполняют важнейшие функции
по хранению и передаче генетической информации и участвуют в механизмах ее
реализации в процессе синтеза клеточных белков.

Установление состава нуклеиновых кислот путем их последовательного
гидролитического расщепления позволяет выделить следующие структурные
компоненты.

Рассмотрим структурные компоненты нуклеиновых
кислот в порядке усложнения их строения.

Гетероциклические основания, входящие в состав
нуклеиновых кислот (нуклеиновые основания), — это гидрокси- и
аминопроизводные пиримидина и пурина. Нуклеиновые кислоты содержат три
гетероциклических основания с пиримидиновым циклом (пиримидиновые
основания) и два — с пуриновым циклом (пуриновые основания). Нуклеиновые основания
имеют тривиальные названия и соответствующие однобуквенные обозначения.

В составе нуклеиновых кислот гетероциклические
основания находятся в термодинамически стабильной оксоформе.

Кроме этих групп нуклеиновых оснований,
называемых основными, в нуклеиновых кислотах в небольших количествах
встречаются минорные основания: 6-оксопурин (гипоксантин),
3-N-метилурацил, 1-N-метилгуанин и др.

Нуклеиновые кислоты включают остатки
моносахаридов – D-рибозы и 2-дезокси –D-рибозы. Оба моносахарида присутствуют в
нуклеиновых кислотах в b -фуранозной форме.

Нуклеозиды – это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и рибозой
или дезоксирибозой.

Между аномерным атомом углерода моносахарида и атомом азота в положении 1
пиримидинового цикла или атомом азота в положении 9 пуринового цикла образуется b -гликозидная
связь.

В зависимости от природы моносахаридного остатка
нуклеозиды делят на рибонуклеозиды (содержат остаток рибозы) и дезоксирибонуклеозиды (содержат остаток дезоксирибозы). Названия
нуклеозидов строят на основе тривиальных названий нуклеиновых оснований,
добавляя окончание –идин для производных пиримидина и -озин для
производных пурина. К названиям дезоксирибонуклеозидов добавляют приставку дезокси-. Исключение составляет нуклеозид, образованный тимином и
дезоксирибозой, к которому приставка дезокси- не добавляется, так как
тимин образует нуклеозиды с рибозой лишь в очень редких случаях.

Для обозначения нуклеозидов используются
однобуквенные обозначения, входящих в их состав нуклеиновых оснований. К
обозначениям дезоксирибонуклеозидов ( за исключением тимидина) добавляется буква
”д”.

Наряду с представленными на схеме основными
нуклеозидами в составе нуклеиновых кислот встречаются минорные нуклеозиды,
содержащие модифицированные нуклеиновые основания (см. выше).

В природе нуклеозиды встречаются также в
свободном состоянии, преимущественно в виде нуклеозидных антибиотиков, которые
проявляют противоопухолевую активность. Нуклеозиды-антибиотики имеют некоторые
отличия от обычных нуклеозидов в строении либо углеводной части, либо
гетероциклического основания, что позволяет им выступать в качестве
антиметаболитов, чем и объясняется их антибиотическая активность.

Как N-гликозиды, нуклеозиды устойчивы к действию
щелочей, но расщепляются под действием кислот с образованием свободного
моносахарида и нуклеинового основания. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются
значительно легче пиримидиновых.

Нуклеотиды – это эфиры нуклеозидов и фосфорной
кислоты (нуклеозидфосфаты). Сложноэфирную связь с фосфорной кислотой образует ОН
группа в положении 5^/ или
3^/ моносахарида. В зависимости от
природы моносахаридного остатка нуклеотиды делят на рибонуклеотиды (структурные элементы РНК) и дезоксирибонуклеотиды (структурные элементы
ДНК). Названия нуклеотидов включают название нуклеозида с указанием положения в
нем остатка фосфорной кислоты. Сокращенные обзначения нуклеозидов содержат
обозначение нуклеозида, остатка моно-, ди- или трифосфорной кислоты, для
3^/-производных указывается также
положение фосфатной группы.

Нуклеотиды являются мономерными звеньями, из
которых построены полимерные цепи нуклеиновых кислот. Некоторые нуклеотиды
выполняют роль коферментов и участвуют в обмене веществ.

Коферменты – это органические соединения
небелковой природы, которые необходимы для осуществления каталитического
действия ферментов. Коферменты относятся к разным классам органических
соединений. Важную группу коферментов составляют нуклеозидполифосфаты.

Аденозинфосфаты – производные
аденозина, содержащие остатки моно-, ди- и трифосфорных кислот. Особое место
занимают аденозин-5^/-моно-, ди- и
трифосфаты — АМФ, АДФ и АТФ — макроэргические вещества, которые обладают
большими запасами свободной энергии в подвижной форме. Молекула АТФ содержит
макроэргические связи Р-О, которые легко расщепляются в результате гидролиза.
Выделяющаяся при этом свободная энергия обеспечивает протекание сопряженных с
гидролизом АТФ термодинамически невыгодных анаболических процессов, например,
биосинтез белка.

Кофермент А. Молекула этого
кофермента состоит из трех структурных компонентов: пантотеновой кислоты,
2-аминоэтантиола и АДФ.

Кофермент А участвует в процессах
ферментативного ацилирования, активируя карбоновые кислоты путем превращения их
в реакционноспособные сложные эфиры тиолов.

Никотинамидадениндинуклеотидные коферменты. Никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺) и его фосфат (НАДФ⁺) содержат в своем составе катион пиридиния в виде
никотинамидного фрагмента. Пиридиниевый катион в составе этих коферментов
способен обратимо присоединять гидрид-анион с образованием восстановленной формы
кофермента — НАД  Н.

Таким образом никотинамидадениндинуклеотидные
коферменты участвуют в окислительно-восстановительных процессах, связанных с
переносом гидрид-аниона, например, окислении спиртовых групп в альдегидные
(превращение ретинола в ретиналь), восстановительном аминировании кетокислот,
восстановлении кетокислот в гидроксикислоты. В ходе этих процессов субстрат
теряет (окисление) или присоединяет (восстановление) два атома водорода в виде
Н⁺ и Н^—. Кофермент служит при этом акцептором
(НАД⁺) или донором
(НАД^.Н) гидрид-иона. Все процессы с
участием коферментов являются стереоселективными. Так, при восстановлении
пировиноградной кислоты образуется исключительно L-молочная кислота.

Первичная структура нуклеиновых кислот представляет собой линейную полимерную цепь, построенную
из мономеров – нуклеотидов, которые связаны между собой
3^/-5^/-фосфодиэфирными
связями. Полинуклеотидная цепь имеет 5′-конец и 3′- конец. На 5′-конце находится
остаток фосфорной кислоты, а на 3′- конце — свободная гидроксильная группа.
Нуклеотидную цепь принято записывать, начиная с 5′-конца.

В зависимости от природы моносахаридных остатков
в нуклеотиде различают дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые
кислоты (РНК). ДНК и РНК различаются также по природе входящих в их состав
нуклеиновых оснований: урацил входит только в состав РНК, тимин – только в
состав ДНК.

Вторичная структура ДНК представляет собой комплекс двух полинуклеотидных цепей, закрученных вправо
вокруг общей оси так, что углевод-фосфатные цепи находятся снаружи, а
нуклеиновые основания направлены внутрь (двойная спираль Уотсона-Крика).
Шаг спирали — 3.4 нм, на 1 виток приходится 10 пар нуклеотидов. Полинуклеотидные
цепи антипараллельны, т.е.
напротив 3′-конца одной цепи находится 5′-конец другой цепи. Две цепи ДНК
неодинаковы по своему составу, но они комплементарны. Это выражается в
том, что напротив аденина (А) в одной цепи всегда находится тимин (Т) в другой
цепи, а напротив гуанина (Г) всегда находится цитозин (Ц). Комплементарное
спаривание А с Т и Г с Ц осуществляется за счет водородных связей. Между А и Т
образуется две водородные связи, между Г и Ц – три.

Комплементарность цепей ДНК составляет
химическую основу важнейшей функции ДНК – хранения и передачи генетической
информации.

Типы РНК. Известны три основных
вида клеточных РНК: транспортные РНК (тРНК), матричные РНК (мРНК) и рибосомные
РНК (рРНК). Они различаются по месторасположению в клетке, составу и размерами,
а также функциями. РНК состоят, как правило, из одной полинуклеотидной цепи,
которая в пространстве складывается таким образом, что ее отдельные участки
становятся комплементарными друг другу (”слипаются”) и образуют короткие
двуспиральные участки молекулы, в то время как другие участки остаются
однотяжевыми.

Матричные РНК выполняют функцию матрицы
белкового синтеза в рибосомах.

Рибосомные РНК выполняют роль структурных
компонентов рибосом.

Транспортные РНК участвуют в
транспортировке a -аминокислот из цитоплазмы в рибосомы и в переводе информации нуклеотидной
последовательности мРНК в последовательность аминокислот в белках.

Механизм передачи генетической информации. Генетическая информация закодированиа в нуклеотидной последовательности
ДНК. Механизм передачи этой информации включает три основных этапа.

Первый этап – репликация –копирование
материнской ДНК с образованием двух дочерних молекул ДНК, нуклеотидная
последовательность которых комплементарна последовательности материнской ДНК и
однозначно определяется ею. Репликация осуществляется путем синтеза новой
молекулы ДНК на материнской, которая играет роль матрицы. Двойная спираль
материнской ДНК раскручивается и на каждой из двух цепей происходит синтез новой
(дочерней) цепи ДНК с учетом принципа комплементарности. Процесс осуществляется
под действием фермента ДНК-полимеразы. Таким образом из одной материнской ДНК
образуются две дочерних, каждая из которых содержит в своем составе одну
материнскую и одну вновь синтезированную полинуклеотидную цепь.

Второй этап – транскрипция – процесс, в
ходе которого часть генетической информации переписывается с ДНК в форме мРНК.
Матричная РНК синтезируется на участке деспирализованной цепи ДНК как на матрице
под действием фермента РНК-полимеразы. В полинуклеотидной цепи мРНК
рибонуклеотиды, несущие определенные
нуклеиновые основания, выстраиваются в последовательности, определяемой
комплементарными взаимодействиями с нуклеиновыми основаниями цепи ДНК. При этом адениновому основанию в ДНК будет соответствовать урациловое основание в РНК. Генетическая информация о синтезе белка закодирована в ДНК с
помощью триплетного кода. Одна аминокислота кодируется
последовательностью из трех нуклеотидов, которую называют кодоном.
Участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь, называется геном.
Каждому кодону ДНК соответствует комплементарный кодон в мРНК. В целом молекула
мРНК комплементарна определенной части цепи ДНК – гену.

Процессы репликации и транскрипции происходят в
ядре клетки. Синтез белка осуществляется в рибосомах. Синтезированная мРНК
мигрирует из ядра в цитоплазму к рибосомам, перенося генетическую информацию к
месту синтеза белка.

Третий этап – трансляция – процесс
реализации генетической информации, которую несет мРНК в виде последовательности
нуклеотидов в последовательность аминокислот в синтезируемом белке. a -Аминокислоты, необходимые для
синтеза белка транспортируются к рибосомам посредством тРНК, с которыми они
связываются путем ацилирования 3^/-ОН группы на конце цепи тРНК.

тРНК имеет антикодоновую ветвь, содержащую
тринуклеотид — антикодон, который соответствует переносимой ею
аминокислоте. На рибосоме тРНК прикрепляются антикодоновыми участками к
соответствующим кодонам мРНК. Специфичность стыковки кодона и антикодона
обеспечивается их комплементарностью. Между сближенными аминокислотами
образуется пептидная связь. Таким образом реализуется строго определенная
последовательность соединения аминокислот в белки, закодированная в
генах.