1 Нуклеиновые кислоты 2 Фридрих Мишер — швейцарский

1 Нуклеиновые кислоты

2 Фридрих Мишер — швейцарский физиолог, гистолог и биолог, учился в Базеле, Геттингене, Тюбингене и Лейпциге, в 1871 г. приват-доцент, в 1872 г. — профессор физиологии в Базеле. В 1869 году Фридрих Мишер открыл ДНК. Нуклеиновые кислоты

3 Нуклеиновые кислоты. Строение и основные функции Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные соединения со строго определенной линейной последовательностью мономеров. В каждом живом организме присутствуют 2 типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК – наиболее крупные полимерные молекулы; их молекулярная масса варьирует от 1 000 до 1 000 000 кД. Молекулярная масса одной из известных малых нуклеиновых кислот – транспортной РНК (тРНК) – составляет примерно 25 кД. Некоторая информация о размере молекул ДНК и РНК представлена на следующих слайдах.

4 ДНК Таблица. Параметры некоторых молекул ДНК

5 РНК Таблица. Параметры молекул РНК бактерии Е. соli

6 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Общее строение полинуклеотидной цепи

7 Нуклеиновые кислоты. Строение и основные функции ДНК и РНК состоят из мономерных единиц – нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. Чередующиеся остатки фосфорной кислоты и углевода – пентоза-фосфат-пентоза – (дезоксирибозы в случае ДНК и рибозы в случае РНК) образуют регулярную цепь (остов), в которой отдельные звенья связаны фосфодиэфирными связями. Вариабельными группами в полинуклеотидных цепях служат азотистые основания. Порядок, в котором расположены в нуклеиновой кислоте остатки нуклеотидов, называют первичной структурой нуклеиновой кислоты. Уникальность структуры и функциональная индивидуальность молекул ДНК и РНК определяются их первичной структурой. Схема сборки фрагмента нуклеиновой кислоты (ДНК) приведена на следующих двух слайдах.

8 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ СБОРКА ПОЛИМЕРНОЙ ЦЕПИ ДНК из фрагментов фосфорной кислоты и дезоксирибозы

9 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ПРИСОЕДИНЕНИЕ К ПОЛИМЕРНОЙ ЦЕПИ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОЦИКЛОВ

10 Структурная организация нуклеиновых кислот Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента: гетероциклическое основание, моносахарид (пентозу) и остаток фосфорной кислоты. В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов: пуриновые – аденин (Аde), гуанин (Gua) и пиримидиновые – цитозин (Сyt), тимин (Тhy) и урацил (Ura). На следующих слайдах приведены строение и номенклатура компонентов нуклеиновых кислот.

11 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ, НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ Ф. Мишер (1869) (Швейцария) Нуклеиновые основания Пиримидин Пурин

12 Гетероциклические основания. Пиримидины

13 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ, НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ Нуклеиновые основания (в лактамной форме) Пиримидиновые Урацил Ura (2,4-диоксопиримидин) Тимин Thy (5-метил-2,4-диоксопиримидин, 5-метилурацил Цитозин Cyt (4-амино-2-оксопиримидин)

14 Гетероциклические основания. Пурины

15 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ, НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ Нуклеиновые основания (в лактамной форме) Пуриновые Аденин Ade (6-аминпурин) Гуанин Gua (2-амино-6-оксопурин)

16 ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ, НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ Нуклеиновые основания (в лактамной форме) Лактим-лактамная таутомерия

17 ТАУТОМЕРИЯ ОСНОВАНИЙ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Одной из важнейших проблем химии нуклеиновых оснований является проблема их таутомерии. Так, одна из наиболее общепринятых теорий спонтанного возникновения мутаций основана на возможности существования оснований в различных таутомерных формах. Действительно, можно ожидать, например, что цитозин в аминоформе должен по своей электронной структуре образовывать комплементарную пару с гуанином, тогда как в иминоформе – с аденином; тимин (урацил) в дикетоформе должен образовывать пару с аденином, а в таутомерной 4-оксиформе – с гуанином. Поиск корреляций между таутомерной формой того или иного основания и его ролью в процессе биосинтеза – один из путей изучения проблемы матричного биосинтеза.

18 Таутомерные формы гетероциклических оснований. Лактим-лактамная и амино-иминная таутомерия

19 Таутомерные формы гетероциклических оснований. Лактим-лактамная и амино-иминная таутомерия

20 Таутомерные формы гетероциклических оснований. Лактим-лактамная и амино-иминная таутомерия

21 Таутомерные формы гетероциклических оснований. Лактим-лактамная и амино-иминная таутомерия

22 Таутомерные формы гетероциклических оснований. Лактим-лактамная и амино-иминная таутомерия

23 Нуклеозиды

24 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ Общая структура нуклеозида R=OH Рибонуклеозид R=H Дезоксирибонуклеозид

25 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ R=OH -D-рибофураноза R=H 2-Дезокси--D-рибофураноза

26 Строение пентозы. Найдите ошибку!

27 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ РНК (РИБОНУКЛЕОЗИДЫ)

28 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ РНК (РИБОНУКЛЕОЗИДЫ)

29 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ. Найдите ошибку! НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ДНК (ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДЫ)

30 НУКЛЕОЗИДЫ И НУКЛЕОТИДЫ НУКЛЕОЗИДЫ, ВХОДЯЩИЕ В СОСТАВ ДНК (ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОЗИДЫ)

31 Нуклеозиды (сводный слайд). Нумерация атомов в гетероциклах

32 Взаимная ориентация углеводного звена и гетероциклического основания Взаимная ориентация фуранозного цикла и гетероциклического основания определяется торсионным углом, описывающим поворот гетероцикла вокруг гликозидной связи (конформация по гликозидной связи). Этот угол определяется как угол для системы атомов О-4’-C-1’-N1-C2 у пиримидиновых и O-4’-C-1’-N9-C4 у пуриновых нуклеотидов. Конформации, при которых более объемный фрагмент повернут в направлении фуранозного кольца, называют анти-конформцией. В большинстве случаев в составе нуклеиновых кислот анти-конформации являются предпочтительными. Когда над фуранозным кольцом располагается фрагмент С2-О2 пиримидина или шестичленный цикл пуриновой системы, конформации называютя син-конформациями.

33 Ориентация гетероцикла относительно фуранозного цикла: а – анти-конформация; б – син-конформация

34 НУКЛЕОТИДЫ

35 НУКЛЕОТИДЫ

36

37

38 НУКЛЕОТИДЫ Циклофосфаты

39 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Первичная структура участка цепи ДНК d(…A—С—G—Т...)

40 Число разных последовательностей 4n что при n=200 составит 4200 = 10120 » 1080

41 Олигонуклеотиды. Форма записи последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах Концевые нуклеотиды в олигонуклеотидах (также и в полинуклеотидах) различают по структуре: на 5’-конце находится фосфатная группа, а на 3’-конце цепи – свободная ОН-группа. Эти концы называют 5’- и 3’-концами. Последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК или в олигодезоксирибонуклеотиде обычно сокращенно записывают с помощью однобуквенного кода, например, d(CGAAT) от 5’- к 3’-концу. Аналогично записывают и последовательность нуклеотидов в РНК, только без префикса d.

42 Олигонуклеотиды – короткие фрагменты. Осуществите краткую запись данного фрагмента.

43 Постсинтетическая модификация РНК. Минорные основания

44 Постсинтетическая модификация нуклеиновых кислот. Минорные основания

45 Пространственная структура нуклеиновых кислот В каждом мономере нуклеиновой кислоты присутствует остаток фосфорной кислоты. При рН 7 фосфатная группа полностью ионизована*, поэтому in vivo нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов (имеют множественный отрицательный заряд). Остатки пентоз тоже проявляют гидрофильные свойства. Азотистые основания почти нерастворимы в воде, но некоторые атомы пуринового и пиримидинового циклов способны образовывать водородные связи. Взаимодействие гетероциклических оснований имеют определяющее значение для конформации полинуклеотидной цепи. Они могут быть весьма разнообразны. Однако для структуры ДНК по своей значимости резко выделяются Уотсон-Криковские взаимодействия. В мононуклеотидах (за исключением циклофосфатов) остатки фосфорной кислоты обладают свойствами двухосновных кислот и в соответствии с этим имеют две константы ионизации. Первая константа ионизации рKa имеет значение ~1, тогда как вторая лежит в районе pKa 6-7.

46 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Вторичная структура нуклеиновых кислот 1953 г. Джеймс Уотсон и Френсис Крик (М. Уилкинс, Э. Чаргафф, А. Тодд, Л. Полинг)

47 Нуклеиновые кислоты «Но если бы я поступал в университет в положенном возрасте, то открытие досталось бы кому-то другому. Так что мой совет — получать образование как можно раньше, в 20 лет мы уже готовы к самостоятельным решениям.» Френсис Крик и Джеймс Уитсон рядом со своей моделью ДНК «Честность полезна этому миру, она заставляет мир работать эффективнее»

48

49

50 Уотсон-Криковские взаимодействия

51 Уотсон-Криковские взаимодейтвия

52 Уотсон-Криковские взаимодействия Важным свойством именно этих пар гетероциклов и именно в приведенной их взаимной ориентации является близость размеров этих пар и их ориентации относительно связанных с ними атомов C-1’, а тем самым и относительно всей периодической части остова. При такой геометрии цитозин не может образовать двух водородных связей с аденином и также не могут взаимодействовать между собой два пиримидиновых гетероцикла. Не вписываются в такую геометрию и два взаимодействующих пуриновых гетероцикла. Взаимодействие гуанина с урацилом и тимином возможно лишь с участием двух водородных связей и существенно менее эффективно, чем взаимодействие гуанина с цитозином.

53 Строение дуплексов. В-ДНК В-ДНК представляет собой правую спираль, на каждый шаг которой приходится одна пара комплементарных нуклеотидов. Такая структура обладает винтовой осью, причем в биологических системах полный оборот спирал соответствует приблизительно 10,5 парам нуклеотидов. Расстояние между соседними парами вдоль оси оставляет примерно 0,33 нм, а полный виток спирали соответственно имеет шаг 3,32 нм. Если представить себе цилиндр, опоясывающий В-ДНК, то видно, что в его пределах остается достаточно свободного пространства. Это приводит к образованию вокруг двойной спирали двух бороздок. Они достаточно сильно различаются по своим размерам, и их называют соответственно большой и малой бороздкой.

54 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Вторичная структура нуклеиновых кислот

55 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ РАЗМЕЩЕНИЕ ДВУХ ПОЛИМЕРНЫХ ЦЕПЕЙ ДНК и образование водородных связей между парами А – Т и Г – Ц. Свободные валентности на концах цепи (отмечены красным и синим цветом) указывают на полимерный характер молекул ДНК. Цепи располагаются, чтобы их направление было противоположным (см. расположение синих и красных свободных валентностей), именно в этом случае группы А, Т, Г и Ц оказываются оптимально ориентированными навстречу друг другу.

56 Стекинг-взаимодействия Специфичность образования комплементарных пар обеспечивается водородными связями. Однако в энергетику образования таких пар столь же всомый вклад вносят ван-дер-ваальсовы взаимодействия между соседними парами гетероциклов, при которых две плоские ароматические системы располагаются приблизительно параллельно друг другу. Несколько или множество) таких параллельных пар образуют стопку (stack), и поэтому этот тип ван-дер-ваальсовых взаимодействий называют стекинг-взаимодействием.

57 СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Вторичная структура нуклеиновых кислот

58 Вторичная структура нуклеиновых кислот Хотя принцип образования двунитевых структур является общим, это не означает идентичность строения дуплексов ДНК-ДНК, ДНК-РНК и РНК-РНК. Имеются четкие геометрические различия между этими дуплексами. Нуклеотидные пары не строго перпендикулярны осям спирали, их плоскости образуют некоторый угол с направлением оси. Ближе всего к перпендикулярному расположению относительно оси находятся пары гетероциклов в структуре, которую называют В-ДНК. Она представляет собой правую спираль, на каждый шаг которой приходится одна пара комплементарных нуклеотидов. Такая структура обладает винтовой осью, причем в биологических системах полный оборот спирал соответствует приблизительно 10,5 парам нуклеотидов.

59 Двойная спираль ДНК

60 Пространственная структура нуклеиновых кислот Атомы, не участвующие в Уотсон-Криковских взаимодействиях, оказываются экспонированными, что очень существенно для их реакционной способности и для способности к нековалентным взаимодействиям с белками и другими лигандами. Особенно существенна способность экспонированных атомов и групп к образованию водородных связей в качестве доноров или акцепторов протона. В большую бороздку экспонированы атомы N-7 остатков гуанина и аденина, атомы О-6 остатков гуанина и атомы 0-4 остатков тимина (акцепторы протона), экзоциклические аминогруппы остатков аденина 6-NH2 и цитозина 4-NH2 (доноры протона). В малую бороздку экспонированы атомы N-3 остатков гуанина и аденина, атомы О-2 остатков тимина цитозина (акцепторы протона) и экзоциклическая аминогруппа гуанина 2-NH2 (донор протона).

61 Водородные связи ДНК с водой