Хімічна природа азотистих основ та нуклеозидів

Структура нуклеотидів була з’ясована в середині 40-их рр. минулого сторіччя. Було виявлено, що обидва види нуклеотидів складаються з:

1. Азотистої основи,

2. Рибози або дезоксирибози,

3. Фосфорної кислоти.

У складі ДНК міститься чотири основи (дві – похідні пуринів, дві - піримідинів):

1. Аденін (А),

2. Гуанін (G),

3. Тимін (T),

4. Цитозин (C).

У складі РНК замість тиміну знаходиться урацил (U), слайд 5.

Дезоксирибоза відрізняється від рибози відсутністю кисню у другому положенні цукру (слайд 5).

Основи та цукри в НК поєднуються за допомогою N-β-глікозидного зв’язку між першим атомом вуглецю цукру та першим атомом азоту у піримідиновій або дев’ятим – у пуриновій основі (слайд 5).

Назви нуклеозидів походять від відповідних основ :

1. Аденін – аденозин/дезоксиаденозин,

2. Гуанін – гуанозин/дезоксигуанозин,

3. Цитозин – цитидин/дезоксицитидин,

4. Тимін – тимідин/дезокситимідин,

5. Урацил – уридин/дезоксиуридин.

Оскільки тимін практично не зустрічається у складі РНК, назва дезокситимідин майже не використовується, і заміщується тимідином.

Номенклатура нукеозидів представлена на слайді 6 у таблиці.

Важливим є також спосіб нумерації атомів в молекулі нуклеозиду (слайд 5). Атоми в складі основ позначаються арабськими цифрами, в той час як атоми цукру – цифрами з штрихом. Також існують декілька варіантів написання основ та цукрів у нуклеозидах (слайд 6).

Для позначення послідовностей НК на письмі використовують однолітерні позначення нуклеотидів, зазначені вище, додатковими позначками є Y для піримідину та R – для пурину. Фосфатні групи позначаються як р.

Таким чином, одно ланцюгова молекула НК починає записуватись з 5’-кінця, наприклад:

ApGpCpTpTpG,

Така послідовність містить нуклеозид на 5’-кінці (аденозин), який має вільну гідроксильну групу, та 3’-кінцевий нуклеотид (гуанозин), який також має вільну гідроксильну групу, але уже у третьому положенні рибози. Іноді для зручності позначки фосфатів взагалі опускають, іноді спеціально вказують обидва кінці. Беручи це до уваги, подвійна антипаралельна послідовність хеліксу може бути записаною:

5CpGpCpGpApApTpTpCpGpCpG -3

3GpCpGpCpTpTpApApGpCpGpC - 5

або просто:

CGCGAATTCGCG

Іноді для підкреслювання природи нуклеотиду, до позначок у послідовності додають d (дезоксирибоза) або r (рибоза). Наприклад:

d(CGAT)

Зв’язок між основою та цукром у нуклеозиді, як уже було відмічено, носить назву глікозидного, тобто зв’язку цукру з нецукровим компонентом через напівацетальний гідроксил (слайд 5). Його стереоізомерія є особливо важливою для біохімії НК. У природніх НК глікозидний зв’язок знаходиться завжди у β-конфігурації, тобто основа розміщена над площиною цукру, і займає той же бік, що й 5’-замісник нуклеотиду. Інші положення цукру, якщо дивитися на площину цукру з киснем в положенні 4 позаду, розміщуються наступним чином (слайд 7а):

1. Гідроксил у положенні 3 знаходиться знизу площини,

2. Гідроксиметил у положенні 4 знаходиться зверху площини кільця.

В принципі можливим є хімічне конструювання нуклеозидів та олігонуклеозидів, в яких основа буде знизу площини кільця (слайд 7b). Вони виявляються набагато більш резистентними до дії нуклеаз і, таким чином, використовуються у якості антисенсних олігомерів у складі мРНК.

Справжніми мономерами НК є нуклеотиди – фосфорильовані похідні нуклеозидів. Фосфорна кислота приєднується до цукру складноефірним зв’язком (кислота - спирт), а у випадку декількох фосфорних залишків на одному положенні зв’язки між фосфатами є високоенергетичними фосфоангідридними (кислота - кислота). Причому фосфорні залишки можуть бути у п’ятому, третьому (первинна структура НК) та другому (у випадку лише РНК) положенні. Кількість фосфатних груп у п’ятому положенні цукру може бути до 3. На слайдах 6 та 8 представлена будова нуклеотидів з позначенням фосфорних груп. Назви нуклеотидів формуються з назви нуклеозидів + фосфат. Таким чином, існують моно-, ди- та трифосфати всіх нуклеозидів. До речі, саме трифосфати є попередниками синтезу НК.

Серед нуклеотидів у живій клітині зустрічаються також ті, в яких фосфорний залишок займає не лише у 5 положенні цукру. Наприклад, циклічні рибонуклеозид-2’-3’-монофосфати (2’-3’-цНМФ) являють собою інтермедіати, які можна ізолювати, також зустрічаються рибонуклеозид-3’-монофосфати, які є продуктами гідролізу РНК певними ендонуклеазами. Іншими варіаціями є циклічні нуклеотиди – аденозин – 3’-5’ – монофосфат (цАМФ) та гуанозин – 3’-5’ – монофосфат (цГМФ), які є важливими регуляторними молекулами та вторинними месенджерами.