Лекция. Нуклеиновые кислоты

ЛЕКЦИЯ

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты-это биополимеры,

макромолекулы которых состоят из

мономерных звеньев- нуклеотидов, поэтому

нуклеиновые кислотыэто полинуклеотиды,

цепи которых имеют неразветвленное

строение.

Молекулярная масса этих макромолекул колеблется от 25 тыс до 1

Молекулярная масса этих макромолекул колеблется от 25 тыс до 1

млн.

млн.

РНК и ДНК – сложные

высокомолекулярные соединения, но в

их состав входит небольшое число

химических компонентов более

простого состава.

При полном гидролизе нуклеиновых

кислот образуются следующие

химические соединения:

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и

передачу наследственной информации и

непосредственно участвуют в механизмах реализации

этой информации путем программирования синтеза

всех клеточных белков.

Мономерной единицей нуклеиновых

кислот являются нуклеотиды.

Существуют 2 разновидности

полинуклеотидов, входящих в состав

живой клетки: рибонуклеиновая (РНК) и

дезоксирибонуклеиновая (ДНК)

кислоты.

ПРОДУКТЫ ГИДРОЛИЗА

РНК

ДНК

H3PO4

H3PO4

Д-рибоза

2-дезокси-Д-рибоза

Аденин

Аденин

Гуанин

Гуанин

Цитозин

Цитозин

Урацил

Тимин

►Итак, в состав нуклеиновых кислот

входят:

1.

Углеводный остаток

2.

Гетероциклическое основание

3.

Фосфатная группа

Составы РНК и ДНК отличаются:

1. Углеводным компонентом. РНК содержит Д-

рибозу-(-β-Д-рибофуранозу)

А в молекуле ДНК углевод представлен 2-дезокси-

Д-рибозой-(-β-2-дезокси-Д-рибофуранозой)

HOH2C

OH

R=OH -D-рибофураноза

O

R=H

2-Дезокси- -D-

рибофураноза

HO

R

2.Гетероциклическим основанием.

В РНК содержится урацил, а в ДНК- тимин.

O

O

HN3 4 5

HN

CH3

2

6

1

O

N

O

N

H

H

Урацил Ura

Тимин Thy

(5-метил-2,4-диоксопиримидин,

(2,4-диоксопиримидин)

5-метилурацил)

Пиримидиновые основания

Пиримидин

N

O

N

NH2

HN3 4 5

O

N

CH3

2

HN

1 6

O

N

O

N

O

N

H

H

Тимин Thy

H (5-метил-2,4-

Цитозин Cyt

Урацил Ura

диоксопиримидин,

(4-амино-2-

(2,4-диоксопиримидин)

5-метилурацил

оксопиримидин)

Азотистые основания, входящие в

состав РНК И ДНК.

► Азотистые основания(нуклеиновые)-

гетероциклические соединения, производные пурина и

пиримидина.

Пуриновые основания

NH2

N1

6 5

N

N

7

N

2

4

8

3

9

N

N

O

АденинH

NH

N

HN

N

(6-аминопурин)

Пурин

N Гуанин Gua

H2N

N

H (2-амино-6-оксопурин)

Гидроксипроизводные

гетероциклического ряда способны к

лактим-лактамной таутометрии.

Однако, при физиологических условиях

нуклеиновые основания существуют

только в лактамной форме(ОКСО-

форме).Обе таутомерные формы имеют

плоское строение и сохраняют

ароматичность.

Ароматичность- основа относительно

высокой термодинамической

стабильности гетероциклов.

Лактим-лактамная

таутомерия:

OH

O

O

H

N

N

H

N

N

H

N

N

HN

N

N

H2N

N

N

HN2

N

N

2

H

H

Нуклеозиды

Нуклеозиды сокращенно обозначают

начальной буквой их латинского

названия с добавление префикса d в

случае дезоксинуклеозидов.

Например, А-аденозин, dА-

дезоксиаденозин.

Связь в нуклеозидах осуществляется между

Связь в нуклеозидах осуществляется между

С1(аномерным) атомом рибозы(или дезоксирибозы)

С1(аномерным) атомом рибозы(или дезоксирибозы)

и атомом азота N1 пиримидинового и N9

и атомом азота N1 пиримидинового и N9

пуринового оснований.

пуринового оснований.

Нуклеозиды

Нуклеозидыэто N-гликозиды, образованные

нуклеиновыми основаниями и β-Д-

рибофуранозой(РНК) или 2-дезокси-β-Д-

рибофуранозой(ДНК).

Общая структура нуклеозидов:

Х = ОН — рибонуклеозиды;

Х = ОН — рибонуклеозиды;

Х = Н — дезоксирибонуклеозиды;

Х = Н — дезоксирибонуклеозиды;

R - пуриновое или пиримидиновое основание:

R - пуриновое или пиримидиновое основание:

Названия нуклеозидов производятся от тривиального

названия соответствующего гетероциклического

азотистого основания с суффиксами

–идину пиримидиновых

–идину пиримидиновых

–озин у пуриновых

–озин у пуриновых

нуклеозидов.

нуклеозидов.

Например:

Например:

Цитозин+Рибоза=Цитидин

Цитозин+Рибоза=Цитидин

Аденин+Дезоксирибоза=Аденозин

Аденин+Дезоксирибоза=Аденозин

(Исключение составляет название ТИМИДИН, а не

(Исключение составляет название ТИМИДИН, а не

дезокситимидин!)

дезокситимидин!)

ГИДРОЛИЗ НУКЛЕОЗИДОВ

►Нуклеозиды(N-гликозиды) расщепляются

в КИСЛОЙ среде,но устойчивы в

СЛАБОЩЕЛОЧНОЙ.

U + H2O

U + H2O

H+ Урацил+β,Д-рибофураноза

H+ Урацил+β,Д-рибофураноза

ОН-

ОН-

Реакция не идет

Реакция не идет

Лекарственные средства нуклеиновой

природы.

В клетках в свободном состоянии

содержатся некоторые нуклеозиды, не

являющиеся компонентами нуклеиновых

кислот. Они обладают антибиотической

активностью и приобретают всё большее

значение при лечении злокачественных

образований. Известны несколько десятков

таких нуклеозидов, выделенных

микроорганизмов, растительных и

животных тканей.

Названия нуклеотидов РНК

1.Уридин-5’-фосфат (5’-уридиловая кислота)

1.Уридин-5’-фосфат (5’-уридиловая кислота)

2.Цитидин-5’-фосфат (5’-цитидиловая кислота)

2.Цитидин-5’-фосфат (5’-цитидиловая кислота)

3.Аденозин-5’-фосфат (5’-адениловая кислота)

3.Аденозин-5’-фосфат (5’-адениловая кислота)

4.Гуанозин-5’-фосфат (5’-гуаниловая

4.Гуанозин-5’-фосфат (5’-гуаниловая

кислота)

кислота)

Нуклеотиды имеют

большое значение не

только как

строительный материал

для нуклеиновых кислот.

Они участвуют в

биохимических

процессах, тесно

связаны с ферментами

и необходимы для

проявления

ферментативной

активности.

Нуклеотиды

Нуклеотидыэто фосфаты

нуклеозидов.

Фосфорная кислота обычно этерифицирует

спиртовой гидроксил при С-5’ или при C-3’ в

остатке углевода.

Любой нуклеотид состоит из 3х компонентов:

-углевода

-углевода

-нуклеинового основания

-нуклеинового основания

-остатка фосфорной кислоты

-остатка фосфорной кислоты

Для связывания этих компонентов используется

Для связывания этих компонентов используется

N-гликозидная и сложноэфирная связь.

N-гликозидная и сложноэфирная связь.

Названия нуклеотидов ДНК

Названия нуклеотидов ДНК

1.Тимидин-5’-фосфат (5’-тимидиловая кислота)

1.Тимидин-5’-фосфат (5’-тимидиловая кислота)

2.Дезоксицитидин-5’-фосфат (5’-дезоксицитидиловая

2.Дезоксицитидин-5’-фосфат (5’-дезоксицитидиловая

кислота)

кислота)

3.Дезоксиаденозин-5’-фосфат (5’-дезоксиадениловая

3.Дезоксиаденозин-5’-фосфат (5’-дезоксиадениловая

кислота)

кислота)

4.Дезоксигуанозин-5’-фосфат (5’-дезоксигуаниловая

4.Дезоксигуанозин-5’-фосфат (5’-дезоксигуаниловая

кислота)

кислота)

Гидролиз нуклеотидов

При частичном гидролизе нуклеотидов

отщепляется остаток фосфорной кислоты и

образуются нуклеозиды.

Практически во всех клетках

присутствуют два

нуклеозидциклофосфата:

сАМФ-обладает высокой

биологической

активностью.

АМФ циклический (cAMP) является

АМФ циклический (cAMP) является

универсальным посредником передачи

универсальным посредником передачи

внутриклеточного сигнала с внешней

внутриклеточного сигнала с внешней

стороны клеточной мембраны к

стороны клеточной мембраны к

эффекторным системам клетки,

эффекторным системам клетки,

действие которых вызывает

аденозин-3',5'-

действие которых вызывает

генерализованную реакцию клетки на

циклофосфат

генерализованную реакцию клетки на

воздействие внешнего биологически-

сАМФ(цАМФ)

воздействие внешнего биологически-

активного вещества, например

активного вещества, например

гормона.

гормона.

Эти соединениявыполняют важную роль

коферментов большого числа ферментов

дегидрогеназ и, следовательно, являются

участниками окислительно-восстановительных

реакций. В соответствии с этим они могут

существовать как в окисленной(НАД+,НАДФ+),

так и в восстановленной(НАДН,НАДФН)

формах.

Фосфорная кислота связывает 2

нуклеотида в одну молекулу, образуя в

молекулах между собой ангидридную

связь:

|

|

- Р - О – Р –

||

||

O

O

Наиболее важным представителем этой группы

является никотинамид-

адениндинуклеотид(НАД) и его фосфат НАДФ.

НАД и НАДФ

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат,

Никотинамидадениндинуклеотидфосфат,

НАДФ (рифосфопиридиннуклеотид (ТПН))- широко

распространённый в природе кофермент.Структура НАДФ

установлена в 1934 О. Варбургом.

Подобно никотинамидадениндинуклеотиду обнаружен во

всех типах клеток;

Участвует в реакциях окисления — восстановления:

1. служит акцептором водорода при окислении главным

образом углеводов;

2. в восстановленной форме является донором водорода при

биосинтезе жирных кислот.

В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается

при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает

водородом синтез углеводов при темновых реакциях.

НАД и НАДФ

Окисление, восстановление

В ходе биологического дегидрирования,

являющегося особым случаем окисления,

субстрат теряет 2 атома водорода,т.е. 2

протона и 2 электрона(2Н+,2е-)или протон

и гидридион(Н+ и Н-).Кофермент НАД+

обычно рассматривается как акцептор

гидрид-иона Н-.В результате

восстановления за счет присоединения

гидрид-иона НАД+ пиридиниевое кольцо

переходит в 1,4-дигидропиридиновый

фрагмент. Данный процесс обратим.

Нуклеозидполифосфаты

Во всех тканях организма в свободном

состоянии содержатся моно-,ди-

трифосфаты нуклеозидов.Особенно

широко известны аденинсодержащие

нуклеотиды-

аденозин-5-фосфат(АМР),аденозин-5-

дифосфат(ADP) и аденозин-5-

трифосфат(АТР).В ряде биохимических

реакций участвуют также нуклеотиды,как

гуанозинтрифосфат(GTP),уридинтрифосф

ат(UTP),цитидинтрифосфат(CTP).

Нуклеотиды,фосфорилированные в

разной степени,способны к

взаимопревращениям путем

наращивания или отщепления

фосфатных групп.Дифосфатная

группа содержит одну,а

трифосфатная-две ангидридные

связи,называемые

макроэргическими,поскольку

они обладают большим запасом

энергии.Необходимые для

образования такой связи

энергетические затраты

покрываются за счет

энергии,выделяющейся в

процессе метаболизма

углеводов.При расщеплении

макроэргической связи

выделяется~32кДж/моль.С этим

связана важнейшая роль АТФ

как «поставщика» энергии во

всех живых клетках.

Нуклеозидполифосфаты

NH2

N

N

O

O

O

HO

P

O

CH2

N

N

HO

P

O

P

O

CH2

Ade

O

HO

+H3PO4

O

+H3PO4

HO

HO

-H3PO4

-H3PO4

OH

OH

Ангидридная

OH

OH

Аденозинмонофосфат

группа

АМФ

Аденозиндифосфат

АДФ

O

O

O

HO

P

O

P

O

P

O

CH2

O

Ade

HO

HO

HO

Ангидридные группы

OH

OH

Аденозинтрифосфат

АТФ

Нуклеозидполифосфаты в

биохимических процессах

С участием АТФ и АДФ в организме

осуществляется важнейший биохимический

процесс-перенос фосфатных

групп.Многочисленные реакции

фосфорилирования можно разделить на 2

группы:

к одной относятся реакции,ведущие к

образованию сложноэфирной связи;

к другой-реакции,ведущие к образованию

ангидридной связи.

Образование сложных эфиров(фосфатов)-

типичная реакция в метаболизме

углеводов.Например,все стадии

гликолиза(превращение глюкозы в

пируват)осуществляютя с соединениями только в

фосфатной форме.Получение фосфатов

гидроксисодержащих соединений можно

представить в виде общей схемы:

O

ROH + АТФ

RO

P

OH + АДФ

OH

Нуклеозидполифосфаты в

биохимических процессах

O

O

O

С

O

P

OH

C

O

P

OH

OH

OH

Сложный эфир

Ангидрид

Перевод карбоксилсодержащих соединений в

ангидридную форму составляет химическую

основу активации жирных

кислот,аминокислот,желчных

кислот,необходимой для участия их в

последующих превращениях.При этом в состав

образующихся ангидридов со стороны АТФ

может входить либо остаток фосфорной

кислоты(ацилфосфаты),либо остаток

АМФ(замещенные ацилфосфаты

ациладенилаты).Например,при получении

глутамина,играющего роль в обмене азота

В организме,

одной из промежуточных стадий

является образование

АЦИЛФОСФАТА.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах.

В организме процесс активации карбоксилсодержащих соединени

осуществляется также за счет образования ациладенилатов-

смешанных ангидридов карбоновых кислот и АТФ(пример

взаимодействия галактозы с АТФ):

HOCH2

HO

O

O

O

O

OH

OH +

HO

P

O

P

O

P

O

CH2

O

Ade

-O

-O

-O

OH

D-галактоза

АТФ

OH

OH

HOCH2

HO

O

O

O

O

OH

OP

O-

+

-O

P

O

P

O

CH2

Ade

O-

-O

-O

O

OH

OH

OH

1-фосфат D-галактопиранозы

АДФ

O

O

O

-OOC CHCH2CH2

C

O-

+

АТФ

-OOC

CHCH2CH2 C

O

P

O-

+ АДФ

NH3

NH3

O-

Глутамат

нуклеофильная атака

O

O

O

O

-OOC CHCH2CH2

C

O

P

O- + NH3

-OOC CHCH2CH2CNH2

+

-O

P

O-

NH3

O-

NH3

O-

Глутамин

O

O

RCOO- + АТФ + KoASH

фермент

RCO

SKoA + АМФ + -O

P

O

P

O-

O-

O-

O

O

O

O

RC

-O

P

O

P

O

P

O

CH2

O

Ade

O-

-O

-O

-O

Ацилат

АТФ

OH

OH

O

O

O

O

RС

O

P

O

CH2

O

Ade

+

-O

P

O

P

O-

-O

O-

O-

Ациладенилат

Дифосфат-ион

OH

OH

Примером фундаментального процесса

жизнедеятельности,в котором происходит образование

ациладенилатов,служит биосинтез белка.Сначала

аминокислота,участвующая в синтезе белка,подвергается

O

O

O активации с помощью АТФ.

-O

P

O

P

O

P

O

CH2

Ade

+ +NH3 CH

COO-

-O

-O

-O

O

R

АТФ

OH

OH

-аминокислота

O

O

O

+NH3

CH

C

O

P

O

CH2

Ade

O

P

O

P

O-

R

O

-O

+ -O

O-

O-

Ангидридная группа

OH

OH

Аминоациладенилат

Состояние АДФ и АТФ в

организме

Фосфатные группы

полифосфатов АТФ и АДФ в

организме находится в

ионизованном состоянии

Активная форма АТФ

Комплексы с магнием

В ферментативных реакциях

фосфорилирования различных

биосубстратов с образованием

органических фосфатов.

Концентрация АТФ

Поддерживается на относительно

постоянном уровне, его образования

приблизительно уравновешивается

скоростью его гидролиза.

В организме человека около 30 г АТФ.

Образование АТФ в клетке

Происходит в митохондриях за счет

энергии, выделяющейся при

биологическом окислении.

Нуклеиновые кислоты

Френсис Крик и Джеймс Уитсон рядом со своей моделью ДНК

(© A. Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers, Inc.)

Активация нуклеиновых кислот

Происходит при образовании

лабильных комплексов с

внутриклеточными катионами

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

NH2

5'-Конец

N

N

A

пентоза основание

O CH2

N

N

O

фосфат

NH2

O

N

C

пентоза основание

O P

O

CH2

N

O

фосфат

O

O

OH

N

пентоза основание

NH

O

G

N

фосфат

O P

O

CH2

N

NH2

O

OH

O

пентоза основание

H3C

NH

фосфат

O

T

O

P

O

CH2

O

N

O

OH

3'-Конец

O

Первичная структура

O

P

d(…A—С—G—Т...)

участка цепи ДНК

OH

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

ДНК бактериофага Т2

ДНК была

высвобождена из

головки фага с

помощью

осмотического шока.

Слева—

микрофотография

целой частицы фага.

Снимки 1962 года

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

► Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок,

последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи

ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется 3',5'-фосфодиэфирными связями.

Поскольку молекулярная масса нуклеиновых кислот колеблется в широких

пределах (от 2•104 до 1010–1011), установить первичную структуру всех

известных РНК и особенно ДНК весьма сложно. Тем не менее во всех

нуклеиновых кислотах (точнее, в одноцепочечной нуклеиновой кислоте)

имеется один и тот же тип связи – 3',5'-фосфодиэфирная связь между

соседними нуклеотидами.

► Установлено, что в образовании межнуклеотидной связи участвуют

гидроксильные группы в 3'- и 5'-положениях остатков углевода. Эту

общую основу структуры можно представить следующим образом:

Вторичная структура

нуклеиновых кислот

► В соответствии с моделью Дж.

Уотсона и Ф. Крика,

предложенной в 1953 г. на

основании ряда аналитических

данных, а также

рентгеноструктурного анализа

молекула ДНК состоит из двух

цепей, образуя правовращающую

спираль, в которую обе

полинуклеотидные цепи

закручены вокруг одной и той же

оси. Удерживаются цепи

благодаря водородным связям,

образующимся между их

азотистыми основаниями (рис.

3.1). Обе цепи поли-нуклеотидов

в биспиральной молекуле ДНК

имеют строго определенное

пространственное расположение,

при котором азотистые основания

находятся внутри, а

фосфорильные и углеводные

компоненты – снаружи.

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Вторичная структура нуклеиновых кислот

Вторичная структура нуклеиновых кислот

H

N

H

O

N

N

H

N

N

К цепи

N

N

К цепи

O

H

N

H

Цитозин

Гуанин

1,08

нм

Обе цепи в молекуле ДНК

имеют

противоположную

полярность. Это

означает, что

межнуклеотидная связь

в одной цепи имеет

направление 5'–>3', а в

другой – 3'–>5'.

Подобная

направленность цепей

имеет важное

биологическое

значение при

репликации и

транскрипции

молекулы ДНК.

Вторичная структура нуклеиновых кислот

NH

O

C

NH

N

H

H3C

O

H N

N

NH

N

N

К цепи

N

N

К цепи

O

Тимин

Аденин

1,11 нм

Вторичная структура нуклеиновых кислот

Правила Чаргаффа

1) количество пуриновых оснований равно

1) количество пуриновых оснований равно

количеству пиримидиновых оснований;

количеству пиримидиновых оснований;

2) количество аденина равно количеству тимина;

2) количество аденина равно количеству тимина;

количество гуанина равно количеству цитозина;

количество гуанина равно количеству цитозина;

3) количество оснований, содержащих аминогруппу

3) количество оснований, содержащих аминогруппу

в положениях 4 пиримидинового и 6 пуринового

в положениях 4 пиримидинового и 6 пуринового

ядер, равно количеству оснований, содержащих в

ядер, равно количеству оснований, содержащих в

этих же положениях оксогруппу. Это означает, что

этих же положениях оксогруппу. Это означает, что

сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и

сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и

тимина.

тимина.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

ДНК Транскрипция РНК Трансляция

Белок

1. Информационная, или матричная

РНК (ее обозначают мРНК) считывает и

переносит генетическую информацию

от ДНК, содержащейся в хромосомах, к

рибосомам, где происходит синтез

белка со строго определенной

последовательностью аминокислот.