Химия нуклеиновых кислот Лекция для студентов 1 курса

Химия нуклеиновых кислот Лекция для студентов 1 курса лечебного, педиатрического и стоматологического факультетов

План лекции 1. Строение, лактим-лактамные превращения азотистых оснований 2. Строение нуклеозидов 3. Строение нуклеотидов. 2. Роль нуклеотидов. 3. Образование динуклеотидов при помощи 3’, 5’-фосфодиэфирной связи. 5. Первичная структура ДНК и РНК. 7. Вторичная структура ДНК и РНК. 8. Уровни упаковки ДНК. 9. Отличия ДНК от РНК.

Азотистые основания (нуклеиновые основания) - Это гетероциклические азотсодержащие соединения, производные пурина и пиримидина. - За счет пиридинового атома азота проявляют основные свойства

Пиримидиновые азотистые основания 4 N 3 5 2 Пиримидин 6 1 Урацил N (2, 4 -дигидроксипиримидин) О ОН 4 N Лактим-лактамная таутомерия НN 2 НО N Лактимная форма О N Н Лактамная форма

Тимин (2, 4 -дигидрокси-5 -метилпиримидин) О ОН 4 N 5 CH 3 Лактим-лактамная таутомерия НN СН 3 2 НО N Лактимная форма О N Н Лактамная форма

Цитозин (4 -амино-2 -гидроксипиримидин) NH 2 N 4 Лактим-лактамная таутомерия N 2 НО N Лактимная форма О N Н Лактамная форма

Пуриновые азотистые основания N 1 6 7 N 5 2 4 3 N 9 Пурин 8 N H Аденин ( 6 -аминопурин) NH 2 N 6 N N N H

Гуанин (2 -амино-6 -гидроксипурин) OH O 6 N N Лактим-лактамная таутомерия НN N 2 H 2 N N N H Лактимная форма H 2 N N N H Лактамная форма

Нуклеозиды – органические вещества, построенные из азотистого основания и пентозы NH 2 N N N НО-СН 2 Азотистое основание N О ОН Пентоза (рибоза или дезоксирибоза) R

Схема образования пуриновых нуклеозидов на примере аденозина NH 2 N N N Аденин N N N Н N-гликозидная связь + НО-СН 2 ОН О ОН R Пентоза (рибоза или дезоксиридоза) R = ОН R=Н - Рибоза - Дезоксирибоза - Н 2 О НО-СН 2 О ОН R Нуклеозид: Аденозин (R = ОН) или Дезоксиаденозин (R = Н)

Схема образования пиримидиновых нуклеозидов на примере цитидина NH 2 N О N Н Цитозин N N-гликозидная связь + НО-СН 2 ОН О ОН R Пентоза (рибоза или дезоксиридоза) R = ОН R=Н - Рибоза - Дезоксирибоза - Н 2 О НО-СН 2 О ОН R Нуклеозид: Цитидин (R = ОН) или Дезоксицитидин (R = Н)

Нуклеотид – органическое вещество, построенное из нуклеозида и фосфорной кислоты. Нуклеотид – фосфат нуклеозида. NH 2 N О N НО О=Р НО О СН 2 О ОН Фосфат ОН Нуклеозид

Схема образования пуриновых нуклеотидов на примере аденозин-5’-фосфата NH 2 N N Сложная эфирная связь N N N - Н 2 О НО ОН О = Р ОН + ОН Фосфорная кислота НО СН 2 О=Р О ОН НО ОH Аденозин О СН 2 О ОН ОH Аденозин-5’-фосфат 5’-Адениловая кислота

Схема образования пиримидиновых нуклеотидов на примере цитидин-5’-фосфата NH 2 Сложная эфирная связь N ОН О = Р ОН + ОН Фосфорная кислота N О - Н 2 О N НО НО СН 2 О=Р О НО ОН ОН Цитидин О СН 2 О ОН ОН Цитидин-5’-фосфат 5’-Цитидиловая кислота

5’-нуклеотиды

3’-нуклеотиды

АТФ - аденозинтрифосфат NH 2 Роль АТФ N N ОН НО Р ~ О О ОН О 2. Источник фосфатних групп для образования фосфопроизводных ОН Р~О Р О О СН 2 О ОН Макроэргические связи 1. Универсальный источник энергии ОН 3. Структурный компонент для синтеза РНК и ДНК 4. Источник для синтеза ц-АМФ

(3’-5’)-ц-АМФ – циклический аденозинмонофосфат NH 2 N N 5’ О СН 2 О НО О 3’ Р О ОН Роль ц-АМФ • Вторичный мессенджер или (внутриклеточный посредник действия гормонов)

Азотистые основания, нуклеозиды и нуклеотиды в составе РНК и ДНК Азотистые Основания Нуклеозиды (азотистое основание + пентоза) В составе РНК Пуриновые Аденин Аденозин Гуанозин Пиримидинов ые Цитозин Цитидин Урацил Уридин Нуклеотиды (нуклеозид + H 3 PO 4) Аденозинмонофосфат или Адениловая кислота (АМФ) Гуанозинмонофосфат или Гуаниловая кислота (ГМФ) Цитидинмонофосфат или Цитидиловая кислота (ЦМФ) Уридинмонофосфат или Уридиловая кислота (УМФ) В составе ДНК Пуриновые Аденин Дезоксиаденозин Гуанин Дезоксигуанозин Пиримидинов Дезоксиаденозинмонофосфат (д. АМФ) Дезоксигуанозинмонофосфат (д. ГМФ)

Схема образования динуклеотида Азотистое основание ОН ОН О=Р О СН 2 О ОН 3’ - Н 2 О ОН ОН Азотистое основание 5’ ОН ОН О Азотистое основание + О=Р О ОН 3’ ОН О СН 2 О=Р 5’ О СН 2 ОН О 3’-5’-фосфодиэфирная связь ОН О СН 2 О ОН ОН ОН Динуклеотид

Нуклеиновые кислоты – это полинуклеотиды, построенные из мононуклеотидов, соединенных при помощи 3’-5’-фосфодиэфирных связей. Примеры: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота РНК – рибонуклеиновая кислота Разновидности РНК м-РНК (и-РНК) - матричная или информационная РНК р-РНК - рибосомальная РНК т-РНК - транспортная РНК

История открытия нуклеиновых кислот В 1868 г. Немецкий химик Фридрих Мишер открыл нуклеиновые кислоты в ядрах лейкоцитов в составе гноя. Фридрих Мишер

Различия между ДНК и РНК Признак ДНК Молекулярная Несколько млн. масса Структура Двухцепочечная (Двойная спираль) РНК т. РНК 23 -30 тыс. р. РНК 35 тыс-1 млн. м. РНК 250 тыс-1 млн. Одноцепочечная Хим. состав: Пентоза Азот. осн-е Дезоксирибоза А, Г, Ц, Т Рибоза А, Г, Ц, У Внутриклет. топография 99% в ядре 1% в митохондриях Роль Хранение и передача генетической информации – является матрицей для 1) репликации 2) транскрипции 90% в цитоплазме 10% в ядре Реализация генетической информации путем вовлечения в синтез белка: м. РНК – матрица для трансляции. р. РНК – образует скелет рибосомы т. РНК – транспортирует АК

Первичная структура нуклеиновых кислот – последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК или РНК. Связи, стабилизирующие первичную структуру – 3’-5’ -фосфодиэфирные.

Гидролиз нуклеиновых кислот Нуклеиновые кислоты Щелчной гидролиз и Кислотный гидролиз Нуклеотиды Щелочной гидролиз и Кислотный гидролиз Нуклеозиды Н 3 РО 4 Кислотный гидролиз Азотистые основания Рибоза или дезоксирибоза

Вторичная структура ДНК – двойная спираль • Две нити двойной спирали антипараллельны другу. Диаметр спирали 2 нм • На 1 виток приходится 10 пар мононуклеотидов. Шаг спирали 3, 4 нм • 2 цепи двойной спирали удерживаются водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями: 3 водородные связи между гуанином и цитозином, 2 – между аденином и тимином. • Двойная спираль ДНК открыта Уотсоном и Криком в 1953 г методом рентгеноструктурного анализа на основе правил Чаргаффа, открытых в 1949 г.

Нобелевские лауреаты Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г. открыли двойную спираль ДНК методом рентгеноструктурного анализа Френсис Крик и Джеймс Уотсон рядом со своей моделью ДНК (© A. Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers, Inc. )

Между комплементарными азотистыми основаниями тимином и аденином образуется 2 водородные связи

Между комплементарными азотистыми основаниями цитозином и гуанином образуется 3 водородные связи

Вторичная структура для т-РНК представляет форму клеверного листочка.

Третичная структура т-РНК

Вторичная структура р. РНК

Третичная структура р. РНК C. Трехмерная структура р. РНК малой субъединицы. Цвет доменов соответствует рис. А. Домены образуют отдельные блоки укладки. D. Трехмерная структура р. РНК большой субъединицы. Цвет доменов соответствует рис. В. В процессе укладки (фолдинга) домены сильно переплетаются друг с другом.

Третичную структуру для ДНК не выделяют, а рассматривают уровни упаковки ДНК с белками Уровни упаковки ДНК а) нуклеосомный – двойная спираль ДНК наматывается на гистоновые октамеры В электронном микроскопе это выглядит так

б) соленоидный – нуклеосомная нить упаковывается в плотную структуру, напоминающюю соленоид, на 1 виток которой приходится 6 -7 нуклеосом. Результирующая длина уменьшается в 100 раз.

в) интерфазная хромосома: соленоидная нить в интерфазной хромосоме организована в домены или петли, состоящие из 30000 -100000 пар нуклеотидов и заякоренные на внутриядерном поддерживающем матриксе. г) метафазная хромосома: еще более компактная и толстая структура, видимая даже в световой микроскоп. Цель упаковки ДНК: Сделать ДНК компактной Исключить возможность запутывания Исключить возможность случайных разрывов

Структуры нуклеиновых кислот и уровни упаковки ДНК 1. Первичная: последовательность расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК или РНК. Связи, стабилизирующие первичную структуру – 3/-5/ -фосфодиэфирные. 2. Вторичная: Для ДНК – это правовращающая двойная спираль, где на 1 полный виток приходится около 10 пар мононуклеотидов. Связи, удерживающие 2 цепи двойной спирали – водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями. 3 водородные связи между гуанином и цитозином, 2 – между аденином и тимином. Две нити двойной спирали антипараллельны другу. Двойная спираль ДНК открыта Уотсоном и Криком в 1953 г методом рентгеноструктурного анализа на основе правил Чаргаффа, открытых в 1949 г. Вторичная структура для РНК хорошо изучена у т-РНК. Она представляет форму клеверного листочка. 3. Третичная: для чистой ДНК эукариотов неизвестна. Известны лишь уровни упаковки дезоксирибонуклеопротеиновых комплексов: а) нуклеосомный – двойная спираль ДНК наматывается на гистоновые октамеры В электронном микроскопе это выглядит как б) соленоидный – нуклеосомная нить упаковывается в плотную структуру, напоминающюю соленоид, на 1 виток которой приходится 6 -7 нуклеосом. Результирующая длина уменьшается в 100 раз. в) интерфазная хромосома: соленоидная нить в интерфазной хромосоме организована в домены или петли, состоящие из 30000 -100000 пар нуклеотидов и заякоренные на внутриядерном поддерживающем матриксе. г) метафазная хромосома: еще более компактная и толстая структура, видимая даже в световой микроскоп. Цель упаковки ДНК: • Сделать ДНК компактной • Исключить возможность запутывания • Исключить возможность случайных разрывов

ТИПЫ и-РНК Информационная РНК 2 -3% от всей РНК Мr=250 тыс. -1, 5 млн Роль: 1. Несут информацию о структуре белка. Открыли и-РНК в 50 -е гг XX в. Спирин и Белозерский. Информасома - и-РНК, окруженная белковой капсулой. Является источником и-РНК для синтеза белка в экстремальных состояниях. Рибозим – и-РНК, способная к самосплайсингу (это фермент рибонуклеотидной природы) РНК р-РНК Рибосомальная РНК 82 -83% от всей РНК Mr=35 тыс. - 1, 1 млн. Роль: 1. Образуют скелет рибосомы. 2. Регулируют синтез белка. 3. Регулируют взаимодействия субъединиц рибосом. т-РНК Транспортная РНК 15 -16% от всей РНК Mr=23 тыс. – 30 тыс. Известно ~62 вида Роль: 1. Транспортируют аминокислоту к месту синтеза белка – на рибосому. Строение т-РНК 1965 г. Холли синтезировал аланин-т-РНК 1967 г. Баев синтезировал валин-т-РНК

Нуклеопротеины – это сложные белки, простетической группой которых являются нуклеиновые кислоты. примеры: хроматин (ДНК + гистоновые и негистоновые белки), информасома (и. РНК + белки) рибосома (р. РНК + белки)

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ