Лекция 10 строение, свойства, биологическая роль нуклеотидов

Нуклеотиды – органические вещества, состоящие из гетероциклического азотистого основания, моносахарида (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания представлены в природных нуклеотидах двумя типами: пуриновые, например аденин (6-аминопурин − А), гуанин (2-амино,6-оксопурин − G), пиримидиновые, например цитозин (2-окси-4-аминопиримидин − C), тимин (5-метил-2,4-диоксопиримидин − Т) и урацил (2,4-диоксопиримидин − U).

Все оксопроизводные азотистых оснований могут существовать в лактимной (енольной) и лактамной (кетонной) форме. При физиологических значениях рН превалирует лактамная форма.

Кетонная форма Енольная форма

Азотистые основания поглощают в УФ области спектра с максимумом при 260 нм. Это свойство используется для количественного определения нуклеиновых кислот.

Пентозами в нуклеотидах являются рибоза или дезоксирибоза:

β-D-рибофураноза β-D-2-дезоксирибофураноза

Гетероциклические основания, связываясь с углеводным компонентом, образуют нуклеозид. Пентоза соединяется с азотистым основанием N-гликозидной связью, которая образуется между С_1′-атомом пентозы и N₁-атомом пиримидина или N₉-атомом пурина. Методами периодатного окисления, спектрального и рентгеноструктурного анализов было доказано, что природные нуклеозиды имеют β-конформацию гликозидной связи.

β-N₁-гликозидная связь β-N₉-гликозидная связь

Название нуклеозидов составляют, исходя из названия азотистого основания, меняя окончание у пуринов на ‒ озин, у пиримидинов – на –дин. Например, если аденин присоединяется к рибозе, образуется нуклеозид аденозин; если урацил – уридин.

Все пять гетероциклических оснований имеют плоскую конформацию. В то же время для остатков рибозы и дезоксирибозы плоская конформация энергетически невыгодна. В природе реализуются только две конформации пентоз: либо С_2′-эндо-, либо С_3′-эндоконформация. При этом нуклеотидная единица с 3′-эндоконформацией углеводного остатка имеет меньшую длину, чем 2′-эндоизомер. В свободных нуклеотидах переходы от С_2′-эндоконформации к С_3′-эндоконформации и от синконформации − к антиконформации легки.

Важнейшей характеристикой при определении конформации нуклеозида имеет взаимное расположение углеводной и гетероциклической частей, которое определяется углом вращения вокруг N-гликозидной связи. С помощью различных способов исследования было показано, что существует две области разрешенных конформаций, называемых син- и антиконформациями.

Анти-аденозин Син-аденозин

Нуклеотиды – фосфорные эфиры нуклеозидов.

ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДЫ

У рибонуклеотидов остаток фосфорной кислоты может находиться в положениях 2′ и 3′ и 5^′, у дезоксирибонуклеотидов – в положениях 3′ и 5^′. В зависимости от числа имеющихся в молекуле нуклеотида остатков фосфорной кислоты различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов.

Сокращенные обозначения (однобуквенные и трехбуквенные) азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов широко используются в биохимии и приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1

Сокращенные обозначения азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов

Структура	Основание (Х=Н)	Нуклеозид Х= рибоза (или дезоксирибоза)	Нуклеотид Х= рибозофосфат (или дезоксирибозофосфат)
	Урацил, U, Ura	Уридин, U, Urd	Уридинмонофосфат, UMP
	Тимин, Т, Thy	Тимидин,T,dThd Риботимидин, Thd	Тимидинмонофосфат, TMP
	Цитозин, С, Cyt	Цитидин, C, Cyd, (dCyd)	Цитидинмонофосфат, СMP
	Аденин, А, Ade	Аденозин, A, Ado,(dAdo)	Аденозинмонофосфат, AMP
	Гуанин,G, Gua	Гуанозин, G, Guo, (dGuo)	Гуанозинмонофосфат, GMP

На практике часто используют однобуквенное обозначение нуклеотидов с указанием положения фосфатной группы. Например, pA – это аденозин-5^′-фосфат; Ар ‒ аденозин-3^′-фосфат; pdG ‒ дезоксигуанозин-5^′-фосфат.

Кроме основных пуриновых и пиримидиновых оснований, формирующих нуклеиновые кислоты, встречаются минорные основания. К пуриновым минорным основаниям относятся такие: инозин, N₆-метиладенин, N₂-метилгуанин, ксантин, гипоксантин, 7-метилгуанин и др. К пиримидиновым основаниям относятся такие: 5-метил- и 5-окси-метилцитозин, дигидроурацил, 1-метилурацил, оротовая кислота, 5-карбоксиурацил, 4-тиоурацил и др. Например, в состав нуклеотидов тРНК входят минорные основания в количестве 60 оснований на молекулу. В тРНК они выполняют 2 функции: делают тРНК устойчивыми к воздействию нуклеаз цитоплазмы и поддерживают определенную третичную структуру молекулы, т.к. не могут участвовать в образовании комплементарных пар и препятствуют спирализации определенных участков в полинуклеотидной последовательности тРНК.

Пиримидиновые минорные нуклеозиды и основания

Пуриновые минорные нуклеозиды и основания

Нуклеотиды AMP, GMP, CMP, UMP входят в состав рибонуклеиновых кислот. В состав дезоксирибонуклеиновых кислот входят dAMP, dGMP, dCMP, dTMP (дезокситимидинмонофосфат, или дезокситимидиловая кислота).

Нуклеотиды не только формируют нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Кроме того, они выступают в роли универсальных источников энергии в живых организмах. Они и их производные имеют самостоятельное значение и необходимы для протекания обменных процессов. Велика роль нуклеотидов, выполняющих кофакторную функцию и принимающих непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора или донора химических группировок, атомов, электронов.

Никотинамидадениндинуклеотид (NAD⁺) и его фосфорное производное (NADP⁺) функционируют как коферменты в реакциях дегидрирования, забирая от донора (например, восстановленного субстрата) два электрона и один протон, переходя в восстановленную форму – NADH+H⁺ и NADPH+H⁺, соответственно.