Розділ 7. Обмін нуклеотидів

7.1. Азотисті основи як складові компоненти нуклеїнових кислот

У кожному живому організмі присутні 2 типи нуклеїнових основ: рибонуклеїнова (РНК) та дезоксирибонуклеїнова (ДНК). Вони характеризуються унікальними структурними та функціональними властивостями і являють собою складні біополімери клітин, які містять велику кількість мономерних одиниць – нуклеотидів, тому нуклеїнові кислоти називають полінуклеотидами.

При повному гідролізі нуклеїнових кислот у гідролізаті виявляють пуринові та піримідинові основи, вуглеводи та фосфорну кислоту (табл.7.1).

Таблиця 7.1. Особливості будови нуклеїнових кислот

	ДНК	РНК
Азотисті основи	аденін, гуанін, цитозин, тимін	аденін, гуанін, цитозин, урацил
Вуглевод	дезоксирибоза	рибоза
Структура	дволанцюгова	одноланцюгова
Молекулярна маса	від десятків до сотень млн. да	від десятків до сотень тисяч Да
Локалізація в клітині	ядро, мітохондрії, тилакоїди	ядро, цитоплазма
Функції	збереження генетичної інформації	передача генетичної інформації

Азотисті основи, які входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними гетероциклічних сполук - піримідину та пурину:

Однією з важливих властивостей азотистих основ є їх можливість існувати в двох таутомерних формах (лактимній і лактамній), у залежності від значення рН середовища. Таутомерні форми можна показати на прикладі урацилу:

У складі нуклеїнових кислот всі оксипохідні пуринів і піримідинів знаходяться в лактамній формі.

Крім основних азотистих основ, у невеликій кількості зустрічаються рідкісні, так звані, мінорні основи: 5-метил- і 5-гідроксиметилцитозин, 5-карбоксиурацил, 4-тіоурацил, диметиламіноаденін, 1-метилгуанін:

Лише в одній тРНК знаходиться приблизно 50 мінорних азотистих основ, їх роль, очевидно, зводиться до захисту молекули РНК від дії гідролітичних ферментів. Азотисті основи поглинають світло в ультрафіолетовій частині спектра з довжиною хвилі 200 – 300 нм і максимумом біля 260 нм. Ця властивість використовується при кількісному визначенні нуклеїнових кислот.

Деякі синтетичні похідні пуринів і піримідинів використовують як лікарські засоби. За будовою вони подібні на природні метаболіти (У, Т, Ц, А, Г), але не зовсім ідентичні (антиметаболіти). Наприклад, 5-фторурацил виступає як антагоніст урацилу і тиміну, а 6-меркаптопурин - аденіну. Конкуруючи з метаболітами, вони порушують синтез нуклеїнових кислот в організмі, що використовується при лікуванні пухлин.

Нуклеозиди.Азотисті основи, з’єднуючись з пентозами, утворюють сполуки, які називаються нуклеозидами. До складу нуклеїнових кислот входять лише-нуклеозиди.

Пуринові основи через дев’ятий атом азоту, а піримідинові через перший - утворюють N-глікозидний зв’язок з рибозою або дезоксирибозою. При цьому завжди утворюється -глікозидний зв’язок (за рахунок відщеплення молекули води).

У залежності від природи пентози (рибоза або дезоксирибоза) нуклеозиди поділяють на рибонуклеозиди та дезоксирибонуклеозиди.

Н

Рис.7.1.Механізм утворення

моно-, ди- та тринуклеотидів

уклеотиди- це фосфати нуклеозидів. В залежності від будови пентози (рибоза чи дезоксирибоза) розрізняють рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди.

Мононуклеотиди та їх похідні, а також динуклеотиди наявні в клітинах у вільному стані та відіграють важливу роль в обміні речовин. Мононуклеотиди, приєднуючи ще один залишок фосфату, утворюють фосфоангідридний зв'язок і перетворюються на нуклеозиддифосфати (АДФ, ГДФ, УДФ, ТДФ і ЦДФ), останні, приєднуючи ще один залишок фосфату, утворюють нуклеозидтрифосфати (АТФ, ГТФ, УТФ, ТТФ і ЦТФ). Слід зазначити, що лише вільні нуклеозидтрифосфати в клітинах є попередниками ферментативного синтезу ДНК і РНК. У клітинах, однак, містяться й такі нуклеозидтрифосфати, які не беруть участі в синтезі білка, але виконують життєво важливі функції. Наприклад, АТФ бере участь в енергетичному обміні, є однією з макроергічних сполук (рис. 7.1). При відщепленні від АТФ однієї або двох молекул фосфатної кислоти, які зв’язані між собою макроергічними зв’язками (), виділяється 32-42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфатного зв’язку 8-12 кДж/моль. В обміні речовин і енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди: ГТФ, ЦТФ, УТФ тощо.

Номенклатура нуклеотидів представлена в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2. Номенклатура нуклеотидів

Азотиста основа	Нуклеозид	Нуклеотид	Трибуквове позначення	Однобуквове позначення
Аденін Гуанін Цитозин Урацил Тимін	Аденозин Гуанозин Цитидин Уридин Тимідин	Аденозинмонофосфат Гуанозинмонофосфат Цитидинмонофосфат Уридинмонофосфат Тимідинмонофосфат	АМФ ГМФ ЦМФ УМФ ТМФ	A G C U T

К

Аденозин 3',5'-циклофосфат

(цАМФ)

рім вказаних нуклеотидів, відомі нуклеотиди в яких фосфорна кислота одночасно етерифікує дві гідроксильні групи пентози, утворюючи циклофосфати. Практично у всіх клітинах присутні два циклічні нуклеотиди - цАМФ і цГМФ. Циклічні нуклеотиди є важливими регуляторами внутрішньоклітинних процесів.

Синтез нуклеїнових кислот, мономерними одиницями яких є мононуклеотиди, визначатиметься швидкістю синтезу пуринових і піримідинових нуклеотидів; синтез останніх в свою чергу залежить від наявності всіх складових із трьох компонентів. Джерелом рибози і дезоксирибози служать продукти перетворення глюкози в пентозофосфатному циклі. Фосфатна кислота також не є лімітуючим чинником, оскільки вона поступає в достатній кількості з їжею. Отже, біосинтез нуклеїнових кислот починається з синтезу азотистих основ (мононуклеотидів).