- •Основы биохимии Учебное пособие для студентов заочной формы обучения
- •Глава I. Общий химический состав живых
- •Глава 2. Белковые вещества
- •Рис 2.6. Схема денатурации белка
- •Глава 3. Нуклеиновые кислоты
- •Глава 4. Ферменты
- •Глава 5. Общее понятие об обмене веществ и энергии
- •Глава 6. Биологическое окисление
- •О о
- •Глава 7. Обмен углеводов
- •Глюкоза Этиловый
- •Аэробное окисление углеводов.
- •Глава 8. Обмен липидов
- •Глава 9. Обмен белков
- •Обмен нуклеопротеид0в
- •Глава 10. Взаимосвязь между обменом белков жиров и углеводов связь между обменом белков и углеводов
- •Глава 11. Водно-солевой обмен роль воды в организме и ее обмен
- •Обмен минеральных веществ
- •Глава 12. Витамины
- •Антивитамины
- •Глава 13. Гормоны
- •Глава 14. Биохимические основы рационального питания
- •Глава 1. Общий химический состав живых организмов
Глава 3. Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновым кислотам, как и белкам, принадлежит ведущая роль в явлениях жизни. Они являются генетическим материалом всех живых организмов и вирусов.
3.1. Химический состав нуклеиновых кислот
При нагревании с хлорной кислотой нуклеиновые кислоты распадаются на следующие типы веществ: пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, пентозы и ортофосфорную кислоту.
Из пентоз в нуклеиновых кислотах обнаружены р и б о з а и д е з о к с и р и б о з а. В составе нуклеиновых кислот оба сахара находятся в -D-рибофуранозной форме:
5 5
ОН О СН2ОН ОН О СН2ОН
1 4 1 4
Н Н Н Н
Н 2 3 Н Н 2 3 Н
ОН НО Н ОН
-D- Рибоза -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
6 N N N
N1 5 7 N NH
8
2 4 9
3 N N N
N N H2N N
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
N3 5 N CH3
NH NH
2 6
1 O N O N O N
N
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
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
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 N O 5
Н2 CОР=O Н2CОР=O
1 H H 4 1 H H 4
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):
Р
Р
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 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
АТАЦГ-
: : : : :
АТАЦГ ТАТГЦ-
АТАЦГ
: : : : :
ТАТГЦ
ТАТГЦ АТАЦГ-
: : : : :
ТАТГЦ-
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.
O
NH2 АМФ (аденозин-
POH монофосфат)
N
NOH
5 O O
N N O H2 CO АДФ (аденозин-
1 POPOH дифосфат)
HHH H
OH OH
OH OH O O O
АТФ (аденозин-
POPO POH трифосфат)
OH OH OH
Приводим строение рибонуклеозидфосфатов на примере семейства аденозина.
Знаком ““ в формулах НТФ и НДФ обозначены высокоэнергетические фосфатные связи (макроэргические связи).
Для нормальной жизнедеятельности клетки важное значение имеют все НТФ, но среди них особое место занимает АТФ. Большая часть энергии. освобождающейся в процессе брожения, дыхания, фотосинтеза запасается в виде АТФ, который называют “биологически универсальной энергетической валютой”. АТФ во всех клетках выступает в качестве депо для хранения и переноса химической энергии (на молекулярном уровне). Он действует как связующее звено между процессами, производящими энергию и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и заменяются новыми.
В клетках содержатся мононуклеиды не обнаруживаемые в нуклеиновых кислотах. Среди них можно назвать никотинамидмононуклеотид, флавинмононуклеотид и кофермент А (см. витамины). Они также имеют важное значение в обмене.
Среди динуклеотидов, имеющих важное значение в обмене веществ, в клетках содержатся никотинамидадениндинуклеотид (НАД), никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ), флавинадениндинуклеотид (ФАД). Все они содержат в качестве одного нуклеотида АМФ, а другим нуклеотидом у НАД и НАДФ служит никотинамидмононуклеотид,у ФАД-флавинмононуклеотид. Во всех трех динуклеотидах мононуклеотидные единицы связаны между собой ангидридной связью; их фосфатные группы образуют 51, 51-пирофосфатный мостик. Напоминаем, что в нуклеиновых кислотах нуклеотиды связаны между собой 3151-фосфодиэфирной связью, Для примера приводим химическую формулу НАД:
ONH2
CNH2 N N
O O
+ 5 5 N
N O H2C O P O P O CH2 O N
H H H H ОН ОН H H H H
OH OH OH OH
Никотинамидмононуклеотид Аденозинмонофосфат
Строение и биологическая роль мононуклеотидов и динуклеотидов более подробно описаны в разделах ферменты и витамины.