4. нуклеиновые кислоты и нуклеотиды

4. Нуклеиновые кислоты
4. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И НУКЛЕОТИДЫ
1. Определение
Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения,
состоящие из пуриновых и пиримидиновых азотистых оснований,
сахара пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной
кислоты. Представляют собой биополимеры, состоящие из
спирально-закрученных полинуклеотидных цепей.
Нуклеиновые кислоты представляют собой макромолекулы
кислотного характера, содержащиеся в основном в ядре клетки, а
также в цитоплазме.
2. Биологическая роль нуклеотидов
Заключается в следующем:
2.1 Входят в состав нуклеиновых кислот.
2.2 Входят в состав ряда ферментов (О – В).
2.3 Участвуют в аккумулировании и переносе энергии.
3. Типы нуклеиновых кислот
В живых организмах присутствует два типа нуклеиновых
кислот:
3.1 Рибонуклеиновая кислота (РНК).
3.2 Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК).
Их биологическая функция заключается в хранении и передаче
наследственной генетической информации живых организмов –
наследственных признаков, определяя вид, форму, химический
состав и функции живой клетки и всего организма в целом.
1
4. Нуклеиновые кислоты
РНК
(при гидролизе образуют)
ДНК
аденин
аденин
гуанин
гуанин
цитозин
цитозин
урацил
тимин
(специфические азотистые основания)
рибоза
дезоксирибоза
Н3РО4
Н3РО4
РНК представляет собой однонитчатую полинуклеотидную
цепь, заспирализованную в определенных участках и имеющую
определенную структуру в пространстве, которая удерживается
водородными связями.
ДНК
представляет
собой
двойную
завитую
полинуклеотидную спираль, в которой полинуклеотидные цепочки
соединены между собой с помощью водородных связей между
азотистыми основаниями. Сахарофосфатные нити расположены
снаружи спирали, азотистые основания – внутри.
Осуществляя контроль синтеза белков в клетке, нуклеиновые
кислоты, как и белки, необходимы для жизни.
4. Первичная структура нуклеиновых кислот
По химической структуре нуклеиновые кислоты состоят из
цепочек нуклеотидов – чередующихся остатков пентозы – рибозы
или дезоксирибозы, и фосфорной кислоты (фосфата) с азотистыми
2
4. Нуклеиновые кислоты
основаниями, присоединенными к углеводным фрагментам Nгликозидной связью:
… - фосфат – пентоза – фосфат – пентоза …
основание
основание
Нуклеотид
Нуклеотид
Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством
сложноэфирной связи между пентозой одного и фосфатной
группой другого нуклеотида. Азотистые основания не участвуют в
образовании никаких других ковалентных связей, кроме тех,
которые
связывают
их
с
остатками
моносахаридов
сахарфосфатной цепи.
Соединение азотистого основания и пентозы (без остатка
фосфорной кислоты) называют нуклеозидом, а нуклеиновые
кислоты – соответственно полимерами нуклеозидмонофосфатов.
Мононуклеотиды связываются в полимеры – природные
нуклеиновые кислоты – путем образования сложноэфирных связей
между 3'-углеродным атомом пентозы одного мононуклеотида и
5'-углеродным атомом пентозы другого нуклеотида (рис. 1).
Различные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга
числом
мононуклеотидных
остатков
в
молекуле
(точнее,
азотистых оснований, так как пептозофосфатные части у всех
мономеров одинаковы).
3
4. Нуклеиновые кислоты
Рис. 1. Схема фрагмента полимерной цепи нуклеиновой кислоты
Главные мононуклеотиды, входящие в состав ДНК и РНК,
отличаются набором азотистых оснований (см. рис. 2).
Рис. 2. Структурные компоненты нуклеиновых кислот: азотистые
основания – пурины, пиримидины и сахара
4
4. Нуклеиновые кислоты
Таким образом, в структуре РНК не встречается тимидин (Т), а
в структуре ДНК – уридин (У).
Из четырех разных нуклеотидов может быть построено
огромное количество вариантов нуклеиновых кислот.
Пуриновые основания
образуют ряд продуктов. Среди них
мочевая кислота (конечный продукт пуринового обмена у
человека) и кофеин. Кофеин – метилированное производное
пурина – содержится в кофе (до 1,5%) и в чайных листьях (до 5%).
Пуриновые и пиримидиновые основания стимулируют рост
растений и микроорганизмов.
5. Вторичная структура нуклеиновых кислот
5.1 Вторичная структура ДНК. Особенностью нуклеотидного
состава ДНК является равенство числа адениловых нуклеотидов
числу
цитидиловых
нуклеотидов,
т.е.
числа
пуриновых
нуклеотидов числу пиримидиновых (правило Чаргаффа):
А + Г = Т + Ц.
Основываясь на этой закономерности, не свойственной
молекулам РНК, и данных
рентгеноструктурных
анализов,
Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 г. предложили модель строения
вторичной структуры ДНК в виде двух правозакрученных
спиральных полинуклеотидных цепей, переплетенных друг с
другом и противоположно направленных. Эта структура двойной
спирали стабилизирована межцепочечными водородными связями
между специфическими парами азотистых оснований, которые
5
4. Нуклеиновые кислоты
направлены от сахарофосфатного остова каждой цепи внутрь
спирали перпендикулярно ее оси.
Аденин всегда связан двумя водородными связями с тимином,
а гуанин – тремя водородными связями с цитозином (рис. 3). Эти
пары называют комплементарными парами оснований, благодаря
которым первичная структура одной цепи ДНК комплиментарна
первичной структуре другой цепи.
Рис. 3. Вторичная структура молекулы ДНК:
а — схема химических связей в молекуле ДНК; б — схема двойной
спирали ДНК; в — три формы спирали ДНК (вид сверху и сбоку):
1. В-форма
2. А-форма
правозакрученные
3. Z-форма
левозакрученная
Расстояние между полинуклеотидными нитями в ДНК строго
фиксировано. Фиксировано и пространство между ними. 2
6
4. Нуклеиновые кислоты
пиримидиновых основания в этом пространстве не смогут
образовать водородную связь, т.к. будут удалены друг от друга.
Два пуриновых основания будут очень близко расположены и не
смогут образовать водородную связь.
Таким образом, сумма пуриновых оснований в молекуле ДНК
будет
равна
сумме
пиримидиновых
оснований
(правило
Чаргаффа):
|
|
сах – А ………… Т – сах
|
|
Р
Р
|
|
сах – Т ………… А – сах
|
|
Р
Р
|
|
сах – Г ………… Ц – сах
|
|
Р
Р
|
|
сах – Ц …………Г – сах
|
|
Длинная
двухтяжевая
молекула
ДНК
под
влиянием
нагревания, изменения рН и некоторых других воздействий может
«расплетаться» - денатурация ДНК. При медленном остывании
нагретого раствора структура ДНК может восстанавливаться (при
быстром охлаждении этого не происходит). Денатурация ДНК
сопровождается гиперхромным эффектом – снижением вязкости
раствора и увеличением поглощения света при 260 нм. Это
происходит за счет разрыва водородных связей.
Двойная спираль ДНК существует в разных формах (рис. 3).
7
4. Нуклеиновые кислоты
5.2 Вторичная структура РНК. Различают три основных типа
РНК: рибосомные (рНРК), транспортные (тРНК) и матричные
(мРНК) (табл. 1).
Таблица 1
Некоторые характеристики РНК
Свойства
мРНК (иРНК)
Массовая доля в клетке,
~2
% от суммы
Число нуклеотидов в
75 … 3000
молекуле
Молекулярная масса, Да 25·103 … 1·106
Форма молекулы
Коэффициент
седиментации
Вытянутая
6S-25S
тРНК
10 … 15
рРНК
80 … 90
70 … 90
1500 … 4500
2,5·104 …
3,1·104
0,3·106 …
1,6·106
Компактная
28S, 18S, 16S
«Клеверный лист»
4S
Молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи,
но отдельные их участки могут образовывать двойные спирали изза присутствия комплементарных нуклеотидных пар А – У и Г – Ц.
Такие
спирализованные
участки
называют
шпильками,
включающими 20…30 нуклеотидных пар. Они чередуются с
неспирализованными участками.
6. Третичная структура нуклеиновых кислот
Молекулы ДНК в клетках живых организмов могут достигать
нескольких сантиметров (при средней толщине до 10 нм). Они
образуют плотную третичную структуру, толщина и длина
которой не превышает нескольких нанометров. Это достигается
путем суперспирализации, при которой двухцепочечные ДНК
закручены в правую или левую суперспираль.
8
4. Нуклеиновые кислоты
Третичная структура тРНК представляет собой глобулу,
вытянутую в форме буквы «Г».
7. Четвертичная структура нуклеиновых кислот
Четвертичная структура известная лишь для РНК. Она
представляет собой блок из двух одинаковых субъединиц, связь
между
которыми
поддерживается
комплементарными
взаимодействиями их азотистых соединений.
8. Локализация нуклеиновых кислот в клетке
Локализация ДНК и РНК в клетке различна.
ДНК
локализована в ядре клетки, РНК – в ядре и цитоплазме. Только
тРНК находится преимущественно к цитоплазме в растворенном
виде. Как правило, нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) в живой
клетке находятся в форме нуклеопротеинов. Основные структуры,
содержащие нуклеопротеины, - это хроматин, где локализована
ДНК, и рибосомы, где локализована РНК.
В клетке встречаются также полирибосомы – образования,
состоящие
из
вытянутой
молекулы
мРНК,
окруженной
глобулярными белками, на которую нанизаны рибосомы.
9. Нуклеотиды, не входящие в состав нуклеиновых кислот
К нуклеотидам, не входящим в состав ДНК и РНК, относятся
нуклеотиды, встречающиеся в клетке или в свободном виде в
качестве продуктов гидролиза или синтеза нуклеиновых кислот,
или
в
виде
компонентов
многих
важных
соединений
коферментной природы (моно- и динуклеотиды, содержащие один,
два или три остатка фосфорной кислоты).
9
4. Нуклеиновые кислоты
Одним из важнейших соединений нуклеотидной природы
является аденозинтрифосфат (АТР) (рис. 4).
Рис. 4. Строение молекул АТР (аденозин-5'-трифосфата), АDР
(аденозин-5'-дифосфата), АМР (аденозин-5'-монофосфата) и их компонентов
АТР состоит из азотистого пуринового основания – аденина,
D-рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Вторая и третья
молекулы фосфорной кислоты присоединяются друг к другу
макроэргической связью, которая при гидролизе освобождает
большое количество химической энергии (от 40 до 60 кДж/моль) в
зависимости от локализации реакции в клетке. Таким образом, в
АТР имеются две макроэргические связи. АТР выступает в роли
переносчика
химической
энергии,
связывающей
клеточные
процессы, сопровождающиеся выделением энергии, с теми
реакциями, которые протекают с потреблением энергии. Обратный
10
4. Нуклеиновые кислоты
процесс – синтез АТР из
АDР и неорганического фосфора –
сопровождается потреблением энергии:
АDР + Р
АТР
Подобная реакция называется реакцией фосфорилирования.
Различают:
9.1 Фотосинтетическое фосфорилирование (в этом процессе
АТР
синтезируется
за
счет
солнечной
энергии,
которая
используется при фотосинтезе).
9.2 Гликолитическое фосфорилирование, когда синтез АТР
происходит
вследствие
выделения
энергии
при
окислении
органических веществ без доступа кислорода воздуха (анаэробная
фаза дыхания, или процесс гликолиза).
9.3 Окислительное фосфорилирование, происходящее при
окислении органических веществ при потреблении кислорода
воздуха (аэробная фаза дыхания, или цикл трикарбоновых кислот,
цикл лимонной кислоты, или цикл Кребса).
Другим соединением, у которого макроэргическая связь
образуется между кислородом и фосфором, является UDP –
уридиндифосфат. В состав UDP входит азотистое основание –
урацил, D-рибоза и два остатка фосфорной кислоты, соединенные
друг с другом макроэргической связью (рис. 5).
11
4. Нуклеиновые кислоты
Рис. 5. Строение молекулы UDР (уридин-5-трифосфата)
UDP является коферментом гликозилтрансфераз, способных
переносить глюкозу на какой-либо акцептор. Перенос глюкозы
посредством UDP называется трансгликозилированием. UDP
играет большую роль в превращении углеводов, в частности в
синтезе сахарозы и крахмала.
Аналогичную роль переносчика молекул выполняет СТР –
цитиндинтрифосфат
(цитидинтрифосфорная
кислота),
участвующий в синтезе фосфолипидов – переносе остатков
холина, этаноламина, серина и др. на фосфатидную кислоту
(рис. 6).
12
4. Нуклеиновые кислоты
Рис. 6. Строение молекулы СТР (цитидин-5-трифосфата)
Сложный нуклеозиддифосфат, называемый коферментом А
(СоА), является переносчиком ацилов жирных кислот, которые в
процессе синтеза связываются с концевой –SН-группой СоА
макроэргической связью:
В обменных реакциях активироваться коферментом может не
только уксусная кислота, но и другие органические кислоты. С
образованием активированных остатков органических кислот
протекают процессы аэробной фазы дыхания и распада жирных
кислот и т.д.
13
4. Нуклеиновые кислоты
Рис. 7. Строение молекулы кофермента А
14