ЛЕКЦИЯ НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

ЛЕКЦИЯ НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации и непосредственно участвуют в механизмах реализации этой информации путем программирования синтеза всех клеточных белков.

Нуклеиновые кислоты-это биополимеры, макромолекулы которых состоят из мономерных звеньев- нуклеотидов, поэтому нуклеиновые кислоты- это полинуклеотиды, цепи которых имеют неразветвленное строение. Молекулярная масса этих макромолекул колеблется от 25 тыс до 1 млн.

Мономерной единицей нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Существуют 2 разновидности полинуклеотидов, входящих в состав живой клетки: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты.

РНК и ДНК – сложные высокомолекулярные соединения, но в их состав входит небольшое число химических компонентов более простого состава. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуются следующие химические соединения:

ПРОДУКТЫ ГИДРОЛИЗА РНК ДНК H 3 PO 4 Д-рибоза 2 -дезокси-Д-рибоза Аденин Гуанин Цитозин Урацил Тимин

► Итак, в состав нуклеиновых кислот входят: 1. Углеводный остаток 2. Гетероциклическое основание 3. Фосфатная группа

Составы РНК и ДНК отличаются: 1. Углеводным компонентом. РНК содержит Д- рибозу-(-β-Д-рибофуранозу) А в молекуле ДНК углевод представлен 2 -дезокси-Д -рибозой-(-β-2 -дезокси-Д-рибофуранозой) R=OH -D-рибофураноза R=H 2 -Дезокси- -D- рибофураноза

2. Гетероциклическим основанием. В РНК содержится урацил, а в ДНК- тимин. Тимин Thy Урацил Ura (5 -метил-2, 4 -диоксопиримидин, (2, 4 -диоксопиримидин) 5 -метилурацил)

Азотистые основания, входящие в состав РНК И ДНК. ► Азотистые основания(нуклеиновые)- гетероциклические соединения, производные пурина и пиримидина. Пуриновые основания Аденин (6 -аминопурин) Пурин Гуанин Gua (2 -амино-6 -оксопурин)

Пиримидиновые основания Пиримидин Тимин Thy (5 -метил-2, 4 - Цитозин Cyt Урацил Ura диоксопиримидин, (4 -амино-2 - (2, 4 -диоксопиримидин) 5 -метилурацил оксопиримидин)

Гидроксипроизводные гетероциклического ряда способны к лактим-лактамной таутометрии. Однако, при физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной форме(ОКСО- форме). Обе таутомерные формы имеют плоское строение и сохраняют ароматичность. Ароматичность- основа относительно высокой термодинамической стабильности гетероциклов.

Лактим-лактамная таутомерия:

Нуклеозиды- это N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями и β-Д- рибофуранозой(РНК) или 2 -дезокси-β-Д- рибофуранозой(ДНК). Общая структура нуклеозидов: Х = ОН — рибонуклеозиды; Х = Н — дезоксирибонуклеозиды; R - пуриновое или пиримидиновое основание:

Нуклеозиды

Названия нуклеозидов производятся от тривиального названия соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксами –идин у пиримидиновых –озин у пуриновых нуклеозидов. Например: Цитозин+Рибоза=Цитидин Аденин+Дезоксирибоза=Аденозин (Исключение составляет название ТИМИДИН, а не дезокситимидин!)

Нуклеозиды сокращенно обозначают начальной буквой их латинского названия с добавление префикса d в случае дезоксинуклеозидов. Например, А-аденозин, d. А- дезоксиаденозин. Связь в нуклеозидах осуществляется между С 1(аномерным) атомом рибозы(или дезоксирибозы) и атомом азота N 1 пиримидинового и N 9 пуринового оснований.

ГИДРОЛИЗ НУКЛЕОЗИДОВ ► Нуклеозиды(N-гликозиды)расщепляются в КИСЛОЙ среде, но устойчивы в СЛАБОЩЕЛОЧНОЙ. U + H 2 O H+ Урацил+β, Д-рибофураноза ОН- Реакция не идет

Лекарственные средства нуклеиновой природы. В клетках в свободном состоянии содержатся некоторые нуклеозиды, не являющиеся компонентами нуклеиновых кислот. Они обладают антибиотической активностью и приобретают всё большее значение при лечении злокачественных образований. Известны несколько десятков таких нуклеозидов, выделенных микроорганизмов, растительных и животных тканей.

Нуклеотиды- это фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовой гидроксил при С-5’ или при C-3’ в остатке углевода. Любой нуклеотид состоит из 3 х компонентов: -углевода -нуклеинового основания -остатка фосфорной кислоты Для связывания этих компонентов используется N-гликозидная и сложноэфирная связь.

Названия нуклеотидов РНК 1. Уридин-5’-фосфат (5’-уридиловая кислота) 2. Цитидин-5’-фосфат (5’-цитидиловая кислота) 3. Аденозин-5’-фосфат (5’-адениловая кислота) 4. Гуанозин-5’-фосфат (5’-гуаниловая кислота)

Названия нуклеотидов ДНК 1. Тимидин-5’-фосфат (5’-тимидиловая кислота) 2. Дезоксицитидин-5’-фосфат (5’-дезоксицитидиловая кислота) 3. Дезоксиаденозин-5’-фосфат (5’-дезоксиадениловая кислота) 4. Дезоксигуанозин-5’-фосфат (5’-дезоксигуаниловая кислота)

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохимических процессах, тесно связаны с ферментами и необходимы для проявления ферментативной активности.

Гидролиз нуклеотидов При частичном гидролизе нуклеотидов отщепляется остаток фосфорной кислоты и образуются нуклеозиды.

Кроме рассмотренных нуклеотидов существует еще 2 типа фосфорных эфиров нуклеотидов: Фосфорная кислота: этерифицирует одновременно две ОН-группы углеводного остатка в одном и том же нкулеотиде. Они сокращенно называются цикломонофосфаты

Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата: с. АМФ-обладает высокой биологической активностью. АМФ циклический (c. AMP) является универсальным посредником передачи внутриклеточного сигнала с внешней стороны клеточной мембраны к эффекторным системам клетки, аденозин-3', 5'- действие которых вызывает циклофосфат генерализованную реакцию клетки на с. АМФ(ц. АМФ) воздействие внешнего биологически- активного вещества, например гормона.

Фосфорная кислота связывает 2 нуклеотида в одну молекулу, образуя в молекулах между собой ангидридную связь: | | -Р-О–Р– || || O O Наиболее важным представителем этой группы является никотинамид- адениндинуклеотид(НАД) и его фосфат НАДФ.

Эти соединения выполняют важную роль коферментов большого числа ферментов дегидрогеназ и, следовательно, являются участниками окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной(НАД+, НАДФ+), так и в восстановленной(НАДН, НАДФН) формах.

НАД и НАДФ Никотинамидадениндинуклеотидфосфат, НАДФ (рифосфопиридиннуклеотид (ТПН))- широко распространённый в природе кофермент. Структура НАДФ установлена в 1934 О. Варбургом. Подобно никотинамидадениндинуклеотиду обнаружен во всех типах клеток; Участвует в реакциях окисления — восстановления: 1. служит акцептором водорода при окислении главным образом углеводов; 2. в восстановленной форме является донором водорода при биосинтезе жирных кислот. В хлоропластах растительных клеток НАДФ восстанавливается при световых реакциях фотосинтеза и затем обеспечивает водородом синтез углеводов при темновых реакциях.

НАД и НАДФ

В ходе биологического дегидрирования, являющегося особым случаем окисления, субстрат теряет 2 атома водорода, т. е. 2 протона и 2 электрона(2 Н+, 2 е-)или протон и гидридион(Н+ и Н-). Кофермент НАД+ обычно рассматривается как акцептор гидрид-иона Н-. В результате восстановления за счет присоединения гидрид-иона НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1, 4 -дигидропиридиновый фрагмент. Данный процесс обратим.

Окисление, восстановление

Нуклеозидполифосфаты Во всех тканях организма в свободном состоянии содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны аденинсодержащие нуклеотиды- аденозин-5 -фосфат(АМР), аденозин-5 - дифосфат(ADP) и аденозин-5 - трифосфат(АТР). В ряде биохимических реакций участвуют также нуклеотиды, как гуанозинтрифосфат(GTP), уридинтрифосф ат(UTP), цитидинтрифосфат(CTP).

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фосфатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная-две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. Необходимые для образования такой связи энергетические затраты покрываются за счет энергии, выделяющейся в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи выделяется~32 к. Дж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.

Нуклеозидполифосфаты

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс-перенос фосфатных групп. Многочисленные реакции фосфорилирования можно разделить на 2 группы: к одной относятся реакции, ведущие к образованию сложноэфирной связи; к другой-реакции, ведущие к образованию ангидридной связи.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах

Образование сложных эфиров(фосфатов)- типичная реакция в метаболизме углеводов. Например, все стадии гликолиза(превращение глюкозы в пируват)осуществляютя с соединениями только в фосфатной форме. Получение фосфатов гидроксисодержащих соединений можно представить в виде общей схемы:

Перевод карбоксилсодержащих соединений в ангидридную форму составляет химическую основу активации жирных кислот, аминокислот, желчных кислот, необходимой для участия их в последующих превращениях. При этом в состав образующихся ангидридов со стороны АТФ может входить либо остаток фосфорной кислоты(ацилфосфаты), либо остаток АМФ(замещенные ацилфосфаты ациладенилаты). Например, при получении глутамина, играющего роль в обмене азота В организме, одной из промежуточных стадий является образование АЦИЛФОСФАТА.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах. В организме процесс активации карбоксилсодержащих соединений осуществляется также за счет образования ациладенилатов- смешанных ангидридов карбоновых кислот и АТФ(пример взаимодействия галактозы с АТФ):

Примером фундаментального процесса жизнедеятельности, в котором происходит образование ациладенилатов, служит биосинтез белка. Сначала аминокислота, участвующая в синтезе белка, подвергается активации с помощью АТФ.

Состояние АДФ и АТФ в организме Фосфатные группы полифосфатов АТФ и АДФ в организме находится в ионизованном состоянии

Активная форма АТФ Комплексы с магнием В ферментативных реакциях фосфорилирования различных биосубстратов с образованием органических фосфатов.

Концентрация АТФ Поддерживается на относительно постоянном уровне, его образования приблизительно уравновешивается скоростью его гидролиза. В организме человека около 30 г АТФ.

Образование АТФ в клетке Происходит в митохондриях за счет энергии, выделяющейся при биологическом окислении.

Нуклеиновые кислоты Френсис Крик и Джеймс Уитсон рядом со своей моделью ДНК (© A. Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers, Inc. )

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ДНК бактериофага Т 2 ДНК была высвобождена из головки фага с помощью осмотического шока. Слева— микрофотография целой частицы фага. Снимки 1962 года

Активация нуклеиновых кислот Происходит при образовании лабильных комплексов с внутриклеточными катионами

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ► Под первичной структурой нуклеиновых кислот понимают порядок, последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК. Такая цепь стабилизируется 3', 5'-фосфодиэфирными связями. Поскольку молекулярная масса нуклеиновых кислот колеблется в широких пределах (от 2 • 104 до 1010– 1011), установить первичную структуру всех известных РНК и особенно ДНК весьма сложно. Тем не менее во всех нуклеиновых кислотах (точнее, в одноцепочечной нуклеиновой кислоте) имеется один и тот же тип связи – 3', 5'-фосфодиэфирная связь между соседними нуклеотидами. ► Установлено, что в образовании межнуклеотидной связи участвуют гидроксильные группы в 3'- и 5'-положениях остатков углевода. Эту общую основу структуры можно представить следующим образом:

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

Вторичная структура нуклеиновых кислот ► В соответствии с моделью Дж. Уотсона и Ф. Крика, предложенной в 1953 г. на основании ряда аналитических данных, а также рентгеноструктурного анализа молекула ДНК состоит из двух цепей, образуя правовращающую спираль, в которую обе полинуклеотидные цепи закручены вокруг одной и той же оси. Удерживаются цепи благодаря водородным связям, образующимся между их азотистыми основаниями (рис. 3. 1). Обе цепи поли-нуклеотидов в биспиральной молекуле ДНК имеют строго определенное пространственное расположение, при котором азотистые основания находятся внутри, а фосфорильные и углеводные компоненты – снаружи.

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Вторичная структура нуклеиновых кислот

Вторичная структура нуклеиновых кислот

Вторичная структура нуклеиновых кислот

Вторичная структура нуклеиновых кислот Правила Чаргаффа 1) количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований; 2) количество аденина равно количеству тимина; количество гуанина равно количеству цитозина; 3) количество оснований, содержащих аминогруппу в положениях 4 пиримидинового и 6 пуринового ядер, равно количеству оснований, содержащих в этих же положениях оксогруппу. Это означает, что сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина.

Обе цепи в молекуле ДНК имеют противоположную полярность. Это означает, что межнуклеотидная связь в одной цепи имеет направление 5'–>3', а в другой – 3'–>5'. Подобная направленность цепей имеет важное биологическое значение при репликации и транскрипции молекулы ДНК.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ 1. Информационная, или матричная РНК (ее обозначают м. РНК) считывает и переносит генетическую информацию от ДНК, содержащейся в хромосомах, к рибосомам, где происходит синтез белка со строго определенной последовательностью аминокислот.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ ДНК м. РН К аден урац ин ил тими аден н ин гуан цито ин зин

БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ 2. Транспортная РНК (т. РНК) переносит аминокислоты к рибосомам, где они соединяются пептидными связями в определенной последовательности, которую задает м. РНК. 3. Рибосомная РНК (р. РНК) непосредственно участвует в синтезе белков в рибосомах. Рибосомы — это сложные надмолекулярные структуры, которые состоят из четырех р. РНК и нескольких десятков белков.

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ДНК

С ПА С И БО ЗА В Н И М А Н И Е !!!