Теоретический курс_ХБАС_ЛЕЧ

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

3. С – конец, имеющий аминокислоту со свободной СООН– группой. Он записывается справа и является концом цепи.

В общем виде образование полипептидной цепи можно представить:

H2N

CH

CO OH + Н NH

CH

CO

OH+...H NH

CH

COOH

R1

R2

Rn

H N

COOH + (n-1)H O

CH

CO

NH

CH

CO

... NH

CH

2

2

R1

R2

Rn

С-

конец

N- конец

амидные связи боковые радикалы

В качестве примера рассмотрим образование трипептида "глицил–

фенилаланил–цистеин":

H2N

CH

CO OH + H NH

CH

CО OH + H NH

CH

COOH

H

CH2

СH2

SH

H2N

CH

CO

NH

CH

CO

NH

CH

COОН

+ 2 H2O

CH2

H

СH2

SH

Данный трипептид является нейтральным, так как имеет по одной свободной NH2 – и СООН – группе. Его изоэлектрической точке (ИЭТ) соответствует значение рН ≈ 7.

У кислых белков преобладают свободные СООН – группы. Их изоэлектрическая точка характеризуется значениями рН<7. У основных белков преобладают свободные NH2 – группы. Их изоэлектрическая точка находится в области значений рН>7.

В организме человека большинство пептидов и белков – кислые. Их изоэлектрическая точка лежит между значениями рН 4 и 7. Наличие зарядов у пептидов и белков обуславливает их способность перемещаться в

81

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

электрическом поле. На этом основано их разделение с помощью электрофореза.

Биологически активными являются только нативные пептиды и белки. Нативный белок – это белок, характеризующийся определенной конформацией, т.е. определенным пространственным расположением атомов в белковой молекуле и всей белковой макромолекулы в целом. Благодаря определенной пространственной форме он способен выполнять биологические функции. При этом пространственное строение пептидов и белков в значительной мере определяется электронным и пространственным строением пептидной группы.

			O
			║
Атом углерода в пептидной или амидной группе ─С─NH─
находится в sp2-гибридизованном состоянии. Неподеленная пара	электронов
атома азота	С		O .
вступает в сопряжение с π –электронами двойной связи группы

При этом образуется трехцентровая р , π – сопряженная система. Электронная

плотность в ней смещена к более электроотрицательному атому кислорода:

R1

H		H
α	.N.
C		α
	C	C
	O	H

R2

Атомы кислорода, углерода, азота, образующие сопряженную систему, находятся в одной плоскости. Это затрудняет вращение вокруг связи С–N и предопределяет плоскую, жесткую структуру пептидной группы. α– Углеродные атомы двух аминокислотных остатков располагаются в плоскости пептидной группы, но по разные стороны от связи C–N, т.е. в более выгодном транс–положении. При этом боковые радикалы R аминокислотных остатков наиболее удалены друг от друга в пространстве. Это также придает устойчивость полипептидной цепи.

Свойства, функции, биологическая активность нативных белков определяются наличием в каждом из них определенных уровней организации белковой молекулы. Нативный белок характеризуется 4 уровнями или структурами.

Первичная структура белка определяется тем, какие аминокислоты и в какой последовательности входят в состав полипептидной цепи. Замена хотя бы одной из них может вызвать необратимые изменения. Так, замена лишь одной кислоты в белковой цепи гемоглобина, состоящей из 146 аминокислотных остатков, приводит к тяжелому заболеванию – серповидной

82

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

анемии. Стабилизируется первичная структура амидными или пептидными связями. Она не дает представлений о пространственном строении белков.

Вторичная структура белка определяет пространственную форму основной, единичной полипептидной цепи. Различают α–спираль и β–

складчатую конформации.

Пространственное расположение α–спиральной полипептидной цепи можно представить так, что она обвивает некий цилиндр. Причем, боковые радикалы α–аминокислот находятся на наружной стороне спирали и направлены как бы от поверхности цилиндра. Обычно белковые цепи спирализованы не полностью, а только на отдельных участках.

Другим видом вторичной структуры полипептидов и белков является β–

структура, называемая складчатым листком или складчатым слоем. Ее можно представить как лист, сложенный "гармошкой". R

		R
R	R
R
R
R		R
R
R		R
R	R	R
R		R
α–спираль		β–складчатый слой

Стабилизация вторичной структуры происходит за счет водородных связей. Эти связи образуются между элементами пептидных связей и радикалами, расположенными в белковых цепях на близких расстояниях друг от друга. Именно водородные связи и удерживают полипептидные цепи в виде α–спиралей или β–складчатых структур.

Особым видом вторичной структуры является спираль коллагена. Она представляет собой три единичные спирали, скрученные в суперспираль (канат, скрученный из нескольких веревок). Коллаген образует коллагеновые волокна – основу соединительной ткани. На его долю в человеческом организме приходится около 30% всех белков.

Полипептидная цепь, имеющая первичную и вторичную структуры, способна располагаться в пространстве определенным образом, т.е. приобретать третичную структуру. Стабилизация этой структуры осуществляется за счет водородных и дисульфидных связей, а также за

83

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

счет гидрофобного (неполярного) и электростатического (ионного) взаимодействий. В такого рода взаимодействия вступают элементы пептидных связей, а также боковые радикалы α–аминокислот и их функциональные группы. Причем, за счет изгибов цепи в пространстве взаимодействуют не только близко расположенные, но и удаленные группы атомов.

Несколько отдельных полипептидных цепей способны образовывать сложные комплексы или агрегаты. При этом каждая отдельная цепь, сохраняя свою первичную, вторичную и третичную структуры, является субъединицей комплекса. Такой белковый комплекс представляет единое целое и выполняет биологическую функцию, не свойственную отдельным субъединицам. Этот более высокий уровень организации белковых молекул является четвертичной структурой. Она закрепляется за счет водородных, дисульфидных, гидрофобных, электростатических взаимодействий между субъединичными полипептидными цепями. Четвертичную структуру имеют не все белки, а только те, которые выполняют сложные биологические функции, требующие сложной пространственной организации белковой молекулы. Примером может служить гемоглобин. Его макромолекула состоит из 4–х полипептидных цепей; лишь в совокупности эти четыре цепи могут транспортировать кислород.

Разрушение природной, нативной пространственной структуры белка под влиянием различных факторов называется денатурацией. При этом сохраняется только первичная структура; биологическая активность утрачивается. Воздействующими факторами могут быть: изменения температуры, рН среды, УФ– и рентгеновское излучения, механические воздействия. Денатурация бывает обратимой (хранение яиц в холодильнике) и

необратимой (варка яиц). Обратимая денатурация, или ренатурация,

вызывает в структуре белков изменения, которые легко и быстро устраняются. Гидролиз пептидов и белков можно проводить как в кислой, так и в

щелочной средах. Однако, щелочной гидролиз, практически, не используется, т.к. приводит к разрушению самих аминокислот. При кислотном гидролизе амидные (пептидные) связи разрушаются. При этом образуются либо более короткие пептидные цепи (частичный гидролиз), либо смесь α–аминокислот, из которых белок был построен (полный гидролиз).

Широко используется ферментативный гидролиз, катализируемый ферментами – пептидазами. Этим путем обычно проводят частичный гидролиз, т.к. ферменты способны избирательно гидролизовать пептидные связи либо внутри белковой молекулы, либо на конце цепи. Многие пептидазы расщепляют амидные связи только между определенными аминокислотными остатками.

В организме белки пищи гидролизуются полностью, поскольку для жизнедеятельности используются только свободные α–аминокислоты.

84

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Тема 10 Мононуклеотиды. Полинуклеотиды. Нуклеиновые кислоты.

Ключевые слова и понятия: мононуклеотиды, полинуклеотиды, нукелеозиды, мононуклеотиды, нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты в живых организмах играют главную роль в передаче генетической информации (наследственных признаков) и в управлении процессом биосинтеза белка. Впервые они были обнаружены в ядрах клеток и потому названы нуклеиновыми. Различают два вида нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК).

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные биополимеры с молекулярной массой от 20 тысяч до нескольких миллиардов. Их полимерные цепи построены из более мелких структурных единиц – мономеров, называемых мононуклеотидами. Поскольку нуклеиновые кислоты в своем составе могут содержать от десятков до миллионов мононуклеотидов, их иначе называют полинуклеотидами. Принцип построения нуклеиновых кислот был установлен при изучении продуктов их гидролиза.

Всостав нуклеиновых кислот входят:

1.Углеводный компонент – моносахарид (пентоза):

D -рибоза или 2-дезокси-D -рибоза

НОН2С		О НО			НОН2С		О НО
		Н					Н
Н					Н
Н					Н
			Н					Н
НО		НО			НО		Н

Обе пентозы находятся в фуранозной форме и являются β-аномерами. ДНК в своем составе содержат дезоксирибозу, РНК – рибозу.

2. Фосфорная кислота:

O

НО Р ОН

НО

3. Гетероциклическое, или нуклеиновое, или азотистое основание:

85

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

а) пиримидинового ряда:

Н2N

N

1

NO

Н

цитозин (Ц)

б) пуринового ряда:

Н2N

N

N

9 N N

Н

аденин (А)

O

O

NН

Н3С

NН

1

1

N O

N O

Н

Н

урацил (У)

тимин (Т)

O

НN		N
		9
Н2N	N	N
		Н

гуанин (Г)

Гетероциклические основания представляют собой либо оксо– (урацил, тимин), либо амино– (аденин), либо смешанные – оксо–аминопроизводные пиримидина и пурина (цитозин, гуанин).

Нуклеиновые кислоты различаются входящими в них нуклеиновыми основаниями. В ДНК могут входить: аденин, гуанин, цитозин, тимин; в РНК – аденин, гуанин, цитозин, урацил. То есть тимин входит в состав только ДНК, урацил – в состав РНК.

Пуриновые и пиримидиновые основания ДНК несут генетическую информацию, а углеводные и фосфатные остатки выполняют структурную роль.

Для оксопроизводных пиримидина и пурина характерна лактим–лактамная таутомерия. Поэтому нуклеиновые основания способны существовать в виде различных таутомерных форм. Наиболее устойчивыми из них являются лактамные (оксо–) формы. В таком виде нуклеиновые основания и входят в состав нуклеиновых кислот. Например,

гуанин:

	O
Н	N	N
Н 2N	N	N

Н

оксо-форма (лактам)

НО

N

N

Н 2NN N

Н

окси-форма (лактим)

86

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Кроме лактим–лактамной таутомерии для аденина и гуанина характерна еще миграция атома водорода между положениями 7 и 9 в пятичленном (имидазольном) цикле:

O

O

H

N

НN

НN

N

7

7

9

9

Н2N N

N

Н2N N

N

Н

Способность гетероциклических оснований к таутомерным переходам играет большую роль в формировании пространственной структуры нуклеиновых кислот.

Нуклеозиды

это N–гликозиды, образованные гетероциклическим основанием и пентозой (рибозой или дезоксирибозой). Гликозидная связь осуществляется между атомом углерода С–1' рибозы или дезоксирибозы и атомом азота в нуклеиновом основании: N–1 у пиримидиновых и N–9 у пуриновых. При этом всегда образуется β–гликозидная связь. Следует отметить, что в нуклеиновых кислотах атомы углерода в пентозе нумеруются цифрами со штрихами:

		N				н у к л е и н о в о е о с н о в а н и е
Н О Н 2С	О					β–гликозидная или N–
						гликозидная связь

НО Н О (H )

Взависимости от природы углеводного остатка нуклеозиды делят на

рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. В зависимости от природы нуклеинового основания – на пиримидиновые и пуриновые. Названия нуклеозидов строятся путем замены окончания в тривиальном названии нуклеинового основания: у пиримидиновых на идин, у пуриновых – на озин:

	РНК	ДНК
цитозин	цитидин	дезоксицитидин
тимин	–	тимидин
урацил	уридин	–
аденин	аденозин	дезоксиаденозин
гуанин	гуанозин	дезоксигуанозин

87

(N3–).

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

				O
								N Н
				N
								O
Н ОН 2С О

Н О Н О

пиримидиновый нуклеозид -

уридин (РН К )

O

N

Н N

Н 2N NN

Н О Н 2С	О

НО Н О (Н )

пуриновый нуклеозид - гуанозин

(РН К ) или дезоксигуанозин (Д Н К )

Нуклеозиды, являясь N–гликозидами, устойчивы к щелочному гидролизу, но расщепляются в кислой среде на соответствующие азотистое основание и пентозу.

Некоторые нуклеозиды содержатся в клетках в свободном состоянии, не входя в состав нуклеиновых кислот. Будучи сильными антибиотиками, они используются как лекарственные препараты. Их выделяют из некоторых животных и растительных тканей, микроорганизмов, а также синтезируют химическим путем.

Фармацевтическое действие этих веществ основано на том, что они являются антиметаболитами либо нуклеиновых оснований, либо пентоз. Имея с ними схожее, но не полностью идентичное строение, эти соединения конкурируют с метаболитами (естественными компонентами нуклеиновых кислот) и на определенном этапе нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме. Например: кордицепин как сильный антибиотик используется при лечении злокачественных новообразований. Пуромицин является ингибитором рибосомального синтеза белка. Оба эти соединения в своем составе вместо 2–дезоксирибозы содержат 3–дезоксирибозу. Выраженным действием на вирус СПИДа, снижающим его размножение, обладает азидотимидин, в молекуле которого в пентозе присутствует остаток азотистоводородной кислоты Сильным антивирусным и антигрибковым действием обладают арабинозилцитозин и арабинозиладенин.

Они вместо рибозы содержат ее эпимер – арабинозу. Арабинозилцитозин также применяется как антилейкемическое средство. Мощный антивирусный препарат ацикловир вместо фуранозного цикла содержит нециклический радикал, напоминающий по строению моносахаридный остаток.

Мононуклеотиды - это фосфаты нуклеозидов или фосфорилированные

нуклеозиды. Они		состоят из гетероциклического основания, связанного с
углеводным		остатком, который этерифицирован фосфорной кислотой.
Фосфорная	кислота обычно этерифицирует спиртовой гидроксил при С–5'
		88

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

или С–3', реже С–2' в пентозном остатке. В зависимости от природы пентозы

различают:	рибонуклеотиды –	мономерные	звенья	РНК	и
дезоксирибонуклеотиды – мономерные звенья ДНК.
Мононуклеотиды можно рассматривать:
а) как эфиры нуклеозидов (фосфаты);
б) как кислоты из–за наличия в них остатка фосфорной кислоты.
Поэтому для них используют два вида названий:
а) название	нуклеозида с указанием	в нем положения фосфатного остатка

(уридин–5'–фосфат); б) название остатка нуклеинового основания с окончанием "овая кислота" и с

указанием положения фосфатной группы (5'–уридиловая кислота). Например,

O

Сложноэфирая связь

N Н

O

N

O

НО

Р

О

Н2С

О

НО

НО НО

уридин-5'-фосфат или 5'-уридиловая кислота

За счет фосфатного остатка мононуклеотиды проявляют свойства сильной двухосновной кислоты. В физиологических условиях при рН = 7,35 фосфатная группа полностью ионизирована:

O

К1

O

_ К2

O

_

R

О

Р

ОН

R

О

Р

О

R

О

Р

О

_

НО

НО

О

R - остаток нуклеозида

Мононуклеотиды могут гидролизоваться как в щелочной, так и в кислой средах с разрывом сложноэфирной связи и образованием нуклеозида и фосфорной кислоты. Однако, в сильно кислой среде при рН = 1 гидролизу подвергается как сложноэфирная, так и N–гликозидная связи. При

этом образуются все компоненты мононуклеотида: азотистое	основание,
пентоза и фосфорная кислота.
	89

Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software

http://www.foxitsoftware.com For evaluation only.

Образование полинуклеотидов.

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные продукты поликонденсации мононуклеотидов. Каркас цепей РНК и ДНК одинаков. Он представляет собой длинную неразветвленную молекулу с чередующимися пентозными и фосфатными остатками, связанными между собой фосфодиэфирными связями. При этом на всем протяжении цепи каждая фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: одну с ОН– группой атома углерода С–3' предыдущего остатка рибозы (или дезоксирибозы); вторую – с ОН–группой углеродного атома С–5' следующего

пентозного	остатка. Нуклеиновые основания являются "боковыми
группами",	присоединенными к пентозным остаткам. Они
располагаются	как бы сбоку от остова полинуклеотидной цепи. Началом

полинуклеотидной цепи считают 5'–конец (Ф–конец). Он находится слева и имеет свободную ОН–группу в остатке фосфорной кислоты. Концом цепи считают 3'–конец (ОН–конец). Он располагается справа и имеет свободную ОН–группу у углеродного атома С–3' пентозного остатка, не связанного с другим нуклеотидом:

O

Н О

5'

Р

О

N

Н2С

О

НО

3'

O

НО (H)

5' или Ф-конец

O

5'

N

Р

О

Н 2С

О

НО

3'

O

НО (H)

5'

O

Р

... ...

О

Н 2С

О

N

НО

3'

3' или ОН-конец

H O

НО (H)

Таким образом, имея одинаковый остов, полинуклеотидные цепи ДНК и РНК различаются природой пентозного остатка и набором нуклеиновых оснований, входящих в их состав. Кроме того, ДНК и РНК различаются месторасположением в клетке и биологическими функциями.

90