Все живое на планете состоит из многочисленных клеток. Они поддерживают упорядоченность своей организации с помощью генетической информации, содержащейся в ядре, которая сохраняется, передается и реализуется высокомолекулярными сложными соединениями – нуклеиновыми кислотами. Кислоты эти, в свою очередь, состоят из мономерных звеньев – нуклеотидов.

Роль нуклеиновых кислот переоценить невозможно. Нормальная жизнедеятельность организма определяется стабильностью их структуры. Если в строении происходят любые отклонения, меняется количество либо последовательность – это обязательно приводит к изменениям в клеточной организации. Изменяется активность физиологических процессов и жизнедеятельность клеток .

Понятие нуклеотида

Как и белки, нуклеиновые кислоты необходимы для жизни . Это генетический материал всех живых организмов, включая вирусы.

Выяснение структуры одного из двух типов нуклеиновых кислот ДНК позволило понять, каким образом в живых организмах хранится информация, необходимая для регулирования жизнедеятельности и как она передается потомству. Нуклеотид представляет собой мономерную единицу, образующую соединения более сложные – нуклеиновые кислоты. Без них невозможно хранение , воспроизведение и передача генетической информации. Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.Из них строятся длинные молекулы – полинуклеотиды.Чтобы разобраться со структурой полинуклеотида следует понять строение нуклеотидов.

Что такое нуклеотид? Молекулы ДНК собраны из мелких мономерных соединений. Другими словами, нуклеотид – это органическое сложное соединение, представляющее собой составную часть нуклеиновых кислот и других биологических соединений, необходимых для жизнедеятельности клетки.

Состав и основные свойства нуклеотидов

В состав молекулы нуклеотида (мононуклеотида) в определенной последовательности входят три химических соединения:

1. Пентоза или пятиугольный сахар:

• дезоксирибоза. Эти нуклеотиды называют дезоксирибонуклеотидами. Они входят в состав ДНК;
• рибоза. Нуклеотиды входят в состав РНК и называются рибонуклеотидами.

2. Азотистая пиримидиновая или пуриновая основа, связанная с углеродным атомом сахара. Это соединение называют нуклеозидом

3. Фосфатная группа, состоящая из остатков фосфорной кислоты (в количестве от одного до трех). Присоединяется к углероду сахара эфирными связями, образующими молекулу нуклеотида.

Свойствами нуклеотидов являются:

• участие в метаболизме и других физиологических процессах, которые протекают в клетке;
• осуществление контроля над репродукцией и ростом;
• хранение информации о наследуемых признаках и о структуре белка.

Нуклеиновые кислоты

Сахар в нуклеиновых кислотах представлен пентозой. В РНК пятиуглеродный сахар называется рибозой, в ДНК - дезоксирибозой. В каждой молекуле пентозы пять атомов углерода, из которых четыре образуют кольцо с атомом кислорода, а пятый атом входит в группу НО-СН2.

В молекуле положение атома углерода обозначается цифрой со штрихом (например:1C´, 3C´, 5C´). Так как у вех процессов считывания с молекулы нуклеиновой кислоты наследственной информации имеется строгая направленность, нумерация углеродных атомов и их расположение служат указателем верного направления.

С первым углеродным атомом 1C´ в молекуле сахара соединяется азотистое основание.

К третьему и пятому углеродным атомам по гидроксильной группе (3C´, 5C´) присоединяется остаток фосфорной кислоты, который определяет химическую принадлежность к группе кислот ДНК и РНК.

Состав азотистых оснований

Виды нуклеотидов по азотистому основанию ДНК:

Первые два класса – пурины:

• аденин (А);
• гуанин (Г).

Два последние относятся к классу пиримидинов:

• тимин (Т);
• цитозин (Ц).

Пуриновые соединения по молекулярной массе тяжелее пиримидиновых.

Нуклеотиды РНК по азотистому соединению представлены:

• гуанином;
• аденином;
• урацитолом;
• цитозином.

Так же, как тимин, урацил является пиримидиновым основанием. Нередко в научной литературе азотистые основания обозначаются латинскими буквами (A, T, C, G, U).

Пиримидины, а именно тимин, цитозин, урацил представлены шестичленным кольцом, состоящим из двух атомов азота и четырех атомов углерода, последовательно пронумерованных, от 1 до 6.

Пурины (гуанин и аднин) состоят из имидазола и пиримидина. В молекулах пуриновых оснований четыре атома азота и пять атомов углерода. У каждого атома имеется свой номер от 1 дот 9.

Результатом соединений азотистых остатков с остатками пентозы является нуклеозид. Нуклеотид – это соединение фосфатной группы с нуклеозидом.

Образование фосфодиэфирных связей

Следует разобраться в вопросе о том, как нуклеотиды соединяются в полипептидную цепь, сколько их участвует в процессе,образуя молекулу нуклеиновой кислоты за счет фосфодиэфирных связей.

При взаимодействии двух нуклеотидов образуется динуклеотид. Новое соединение образуется путем конденсации, когда возникает фосфодиэфирная связь между гидроксигруппой пентозы одного мономера и фосфатным остатком другого.

Синтезом полинуклеотида является многочисленное повторение этой реакции. Сборка полинуклеотидов представляет сложный процесс, обеспечивающей рост цепи с одного конца.

Молекулы ДНК, как и молекулы белка, имеют первичную, вторичную структуры и третичную. Первичную структуру в цепи ДНК определяет последовательность нуклеотидов. В основе вторичной структуры лежит формирование водородных связей. При синтезе двойной спирали ДНК имеется определенная закономерность и последовательность: тимин одной цепи соответствует аденину другой; цитозин – гуанину, и наоборот. Соединения нуклеидов создают прочную связь цепей, с равным между ними расстоянием.

Зная последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК можно по принципу дополнения или комплементарности достроить вторую.

Третичная структура ДНК образовывается путем трехмерных сложных соединений. Это делает молекулу более компактной, чтобы она могла свободно разместиться в небольшом объеме клетки. длина кишечной палочки ДНК более 1 мм, в то время как длина самой клетки менее 5 мкм.

Количество пиримидиновых оснований равняется всегда числу пуриновых. Расстояние между нуклеотидами равняется 0,34 нм. Это постоянная величина, как и молекулярная масса.

Функции и свойства ДНК

Основные функции ДНК:

• сохраняет наследственную информацию;
• передача (удвоение/репликация);
• транскрипция, реализация;
• ауторепродукция ДНК. Функционирование репликона.

Процесс самовоспроизведения молекулы нуклеиновой кислоты сопровождается передачей от клетки к клетке копий генетической информаций. Для его осуществления необходимы набор специфических ферментов. В этом процессе полуконсервативного типа образуется репликативная вилка.

Репликон представляет собой единицу репликационного процесса участка генома, подконтрольного одной точке инициации репликации. Как правило, геном прокариот -это репликон. Репликация от точки инициации идет в обе стороны, иногда с различной скоростью.

Молекула РНК – структура

РНК является одной полинуклеотидной цепочкой, которая образуется через ковалентные связи между фосфатным остатком и пентозой. Она короче ДНК, имеет другую последовательность и различается по видовому составу азотистых соединений. Пиримидиновое основание тимина в РНК заменяется урацилом.

РНК может быть трех видов, в зависимости от тех функций, которые выполняются в организме:

• информационная (иРНК) – очень разнообразная по нуклеотидному составу. Она является своего рода матрицей для синтеза белковой молекулы, переносит генетическую информацию к рибосомам от ДНК;
• транспортная (тРНК) в среднем состоит из 75-95 нуклеотидов. Она переносит необходимую аминокислоту в рибосоме к месту синтеза полипептида. У каждого вида тРНК и есть своя, присущая только ему последовательность нуклеотидов или мономеров;
• рибосомальная (рРНК) обычно одержит от 3000 до 5000 нуклеотидов. Рибосом является необходимым структурным ом компонент участвующим в важнейшем процессе, происходящем в клетке – биосинтезе белка.

Роль нуклеотида в организме

В клетке нуклеотиды выполняют важные функции:

• являются биорегуляторами;
• используются как структурные блоки для нуклеиновых кислот;
• входят в состав главного источника энергии в клетке – АТФ;
• участвуют во многочисленных обменных процессах в клетках;
• являются переносчиками восстановительных эквивалентов в клетках (ФАД, НАДФ+; НАД+; ФМН);
• могут рассматриваться как вестники регулярного внеклеточного синтеза (цГМФ, цАМФ).

Свободные нуклеотиды – главные компоненты, которые участвуют в энергетических и в сигнальных процессах. Они поддерживают нормальную жизнедеятельность отдельных клеток и организма в целом.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тыс. до 1 млн и более.

Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты назы- вают полинуклеотидами.

Обычно «неделимое» мономерное звено (например, аминокислотный остаток в белках) у нуклеотидов представляет собой трехкомпонентное образование, включающее гетероциклическое основание, углеводный остаток и фосфатную группу.

Углеводными компонентами служат пентозы - D-рибоза и 2-дезокси-э-рибоза. В зависимости от этого нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеиновые (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибо- нуклеиновые (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК находятся преимущественно в рибосомах, а также протоплазме клеток. РНК непосредственно участвуют в биосинтезе белка.

14.1. Нуклеотиды

14.1.1. Нуклеозиды

В химии нуклеиновых кислот входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидинового и пуринового рядов обычно называют нуклеиновыми основаниями.

Нуклеиновые основания в качестве заместителей в гетероцикле могут содержать:

Либо оксогруппу, как в урациле и тимине;

Либо аминогруппу, как в аденине;

Либо одновременно обе эти группы, как в цитозине и гуанине.

Кислородсодержащие основания представлены лактамными таутомерными формами, в которых ароматичность не нарушена (см. 13.4). Для всех оснований приняты сокращенные трехбуквенные обозначения, составленные из первых букв их латинских названий.

Нуклеиновые кислоты различаются входящими в них гетероциклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин -

в ДНК:

Нуклеиновые основания образуют связь за счет одного из атомов азота с аномерным центром пентозы (D-рибозы или 2-дезокси-D- рибозы). Этот тип связи аналогичен обычной гликозидной связи и известен как N-гликозидная связь, а сами гликозиды - как N-гликози- ды. В химии нуклеиновых кислот их называют нуклеозидами.

В состав природных нуклеозидов пентозы входят в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со штрихом). Гликозидная связь осуществляется с атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.

Природные нуклеозиды всегда являются β -аномерами.

В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Для нуклеозидов употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов.

Исключение составляет название «тимидин» (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином.

Трехбуквенные символы нуклеозидов отличаются от символов оснований последней буквой. Однобуквенные символы применяются только для остатков (радикалов) нуклеозидов в более сложных структурах.

Нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но гидролизуются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее.

В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае - на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает

в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин - аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.

14.1.2. Нуклеотиды

Нуклеотидами называют фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5" или С-3" в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды).

Общий принцип строения нуклеотидов показан на примере фосфатов аденозина. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используются сложноэфирная и N-гликозидная связи.

Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).

За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН ~7 находятся в полностью ионизированном состоянии.

Для нуклеотидов используют два вида названий (табл. 14.1). Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка, например, аденозин-3"-фосфат, уридин-5"-фос- фат; другое строится с добавлением сочетания -иловая кислота к названию остатка пиримидинового основания, например, 5"-уридило- вая кислота, или пуринового основания, например 3"-адениловая кислота.

Используя принятый для нуклеозидов однобуквенный код, 5"-фосфаты записывают с добавлением латинской буквы «р» перед символом нуклеозида, 3"-фосфаты - после символа нуклеозида. Аденозин-5"-фосфат обозначается рА, аденозин-3"-фосфат - Ар и т. п. Эти сокращенные обозначения используют для записи последовательности нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах. По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литера-

туре широко используют их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например АМР (или АМФ) для аденозин-5"-фосфата и т. д. (см. табл. 14.1).

Таблица 14.1. Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот

Циклофосфаты. К ним относятся нуклеотиды, у которых одна молекула фосфорной кислоты этерифицирует одновременно две гидроксильные группы углеводного остатка. Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата - аденозин-3",5"- циклофосфат (cAMP) и гуанозин-3",5"-циклофосфат (cGMP).

14.2. Структура нуклеиновых кислот

14.2.1. Первичная структура

В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связаны через фосфатную группу. Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3" предыдущего и с С-5" последующего нуклеотидных звеньев (рис. 14.1). Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам. Нуклеотид со свободной 5"-ОН группой называют 5"-концевым, а нуклеотид со свободной З"-ОН группой - З"-концевым.

На рисунке 14.2 приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания. Легко представить, какое множество сочетаний можно получить путем варьирования последовательности четырех нуклеотидных остатков. Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.

Для удобства записи первичной структуры существует несколько способов сокращений. Один из них заключается в использовании ранее приведенных сокращенных названий нуклеозидов. Например, показанный на рис. 14.2 фрагмент цепи ДНК может быть записан

Рис. 14.1. Общий принцип строения полинуклеотидной цепи

Рис. 14.2. Первичная структура участка цепи ДНК

как d(ApCpGpTp...) или d(A-C-G-T...). Часто букву d опускают, если очевидно, что речь идет о ДНК.

Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые, в свою очередь, способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

14.2.2. Вторичная структура ДНК

Под вторичной структурой понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основа- ния составляют комплементарные пары.

Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого -NH...O=C- , а также между амидным и иминным атомами азота -NH...N-Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т. е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.

Водородные связи между комплементарными основаниями - один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Это означает, что первичная структура, т. е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Комплементарность полинуклеотидных цепей в двойной спирали

ДНК

14.3. Нуклеотидные коферменты

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохими- ческих процессах и особенно важны в роли коферментов, т. е. веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявления ими ферментативной активности.

14.3.1. Нуклеозидполифосфаты

Во всех тканях организма содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны аденинсодержащие нук- леотиды - аденозин-5"-фосфат (АМР), аденозин-5"-дифосфат (ADP)

и аденозин-5"-трифосфат (ATP) (для этих соединений наряду с приведенными сокращенными обозначениями латинскими буквами в оте- чественной литературе используют сокращения соответствующих русских названий - АМФ, АДФ, АТФ).

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фос- фатных 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 восполняются за счет энергии, выделяемой в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи Р~О (обозначаемой волнистой линией) выделяется ~32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.

В показанных ниже взаимопревращениях АМФ, АДФ и АТФ формулы этих соединений соответствуют их неионизированному состоянию. В физиологических условиях при рН ~7 фосфатные группы почти полностью ионизированы, поэтому в биохимической литературе эти и любые другие нуклеотиды записывают соответственно в виде анионов.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах. С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс - перенос фосфатных групп. Например, образование сложных эфиров (фосфатов) - типичная реакция в метаболизме углеводов. Все стадии гликолиза (превращения глюкозы в пируват) осуществляются только в фосфатной форме. Получение фосфатов гидроксилсодержа- щих соединений можно представить в виде общей схемы.

Так, галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, на начальной стадии метаболического превращения в глюкозу взаимо- действует с АТФ с образованием монофосфата.

14.3.2. Никотинамиднуклеотиды

Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов в осуществлении многих

окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) форме.

Структурным фрагментом НАД + и НАДФ + является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН и НАДФН этот фрагмент превращается в остаток 1,4-дигидропиридина.

В ходе биологического дегидрирования субстрат теряет два атома водорода, т. е. два протона и два электрона (2Н+, 2е) или протон и гидрид-ион (Н+ и Н -). Кофермент НАД+ обычно рассматривается как акцептор гидрид-иона Н - (хотя окончательно не установлено, происходит ли перенос атома водорода к этому коферменту одновременно с переносом электрона или эти процессы протекают раздельно).

В результате восстановления путем присоединения гидрид-иона к НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1,4-дигидропиридиновый фрагмент. Этот процесс обратим.

В реакции окисления ароматический пиридиниевый цикл переходит в неароматический 1,4-дигидропиридиновый цикл. В связи с потерей ароматичности возрастает энергия НАДН по сравнению с НАД + . Таким способом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.

Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, пре- вращение ретинола в ретиналь, см. 15.4), а с участием НАДН - восстановление карбонильных групп в спиртовые (превращение пировиноградной кислоты в молочную, см. 9.2.3).

Нуклеиновые кислоты. АТФ

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) – кислоты, впервые обнаруженные при исследовании ядер лейкоцитов; были открыты в 1868 г. И.Ф. Мишером, швейцарским биохимиком. Биологическое значение нуклеиновых кислот - хранение и передача наследственной информации; они необходимы для поддержания жизни и для ее воспроизведения.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотид ДНК и нуклеотид РНК имеют черты сходства и различия.

Строение нуклеотида ДНК

Строение нуклеотида РНК

Молекула ДНК – двойная цепь, закрученная по спирали.

Молекула РНК представляет собой одиночную нить нуклеотидов, схожую по строению с отдельной нитью ДНК. Только вместо дезоксирибозы РНК включает другой углевод – рибозу (отсюда и название), а вместо тимина – урацил.

Две нити ДНК соединены друг с другом водородными связями. При этом наблюдается важная закономерность: напротив азотистого основания аденин А в одной цепи располагается азотистое основание тимин Т в другой цепи, а против гуанина Г всегда расположен цитозин Ц. Эти пары оснований называют комплементарными парами.

Таким образом, принцип комплементарности (от лат. complementum – дополнение) состоит в том, что каждому азотистому основанию, входящему в нуклеотид, соответствует другое азотистое основание. Возникают строго определенные пары оснований (А – Т, Г – Ц), эти пары специфичны. Между гуанином и цитозином – три водородные связи, а между аденином и тимином возникают две водородные связи в нуклеотиде ДНК, а в РНК две водородные связи возникают между аденином и урацилом.

Водородные связи между азотистыми основаниями нуклеотидов

Г ≡ Ц Г ≡ Ц

В результате у всякого организма число адениловых нуклеотидов равно числу тимидиловых, а число гуаниловых - числу цитидиловых. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепи определяет их последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы (репликации, т. е. удвоения).

Таким образом, количественное содержание азотистых оснований в ДНК подчинено некоторым правилам:

1) Сумма аденина и гуанина равна сумме цитозина и тимина А + Г = Ц + Т.

2) Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина А + Ц = Г + Т.

3) Количество аденина равно количеству тимина, количество гуанина равно количеству цитозина А = Т; Г = Ц.

При изменении условий ДНК, подобно белкам, может подвергаться денатурации, которая называется плавлением.

ДНК обладает уникальными свойствами: способностью к самоудвоению (репликация, редупликация) и способностью к самовосстановлению (репарация). Репликация обеспечивает точное воспроизведение в дочерних молекулах той информации, которая была записана в материнской молекуле. Но в процессе репликации иногда возникают ошибки. Способность молекулы ДНК исправлять ошибки, возникающие в ее цепях, то есть восстанавливать правильную последовательность нуклеотидов, называется репарацией .

Молекулы ДНК находятся в основном в ядрах клеток и в небольшом количестве в митохондриях и пластидах – хлоропластах. Молекулы ДНК – носители наследственной информации.

Строение, функции и локализация в клетке. Различают три вида РНК. Названия связаны с выполняемыми функциями:

Сравнительная характеристика нуклеиновых кислот

Аденозинфосфорные кислоты - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), аденозиндифосфорная кислота (АДФ), аденозинмонофосфорная кислота (АМФ).

В цитоплазме каждой клетки, а также в митохондриях, хлоропластах и ядрах содержится аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Она поставляет энергию для большинства реакций, происходящих в клетке. С помощью АТФ клетка синтезирует новые молекулы белков, углеводов, жиров, осуществляет активный транспорт веществ, биение жгутиков и ресничек.

АТФпо строению сходна с адениновым нуклеотидом, входящим в состав РНК, только вместо одной фосфорной кислоты в состав АТФ входят три остатка фосфорной кислоты.

Строение молекулы АТФ:

Неустойчивые химические связи, которыми соединены молекулы фосфорной кислоты в АТФ, очень богаты энергией. При разрыве этих связей выделяется энергия, которая используется каждой клеткой для обеспечения процессов жизнедеятельности:

АТФ АДФ + Ф + Е

АДФ АМФ + Ф + Е,

где Ф – фосфорная кислота Н3РО4, Е – освобождающаяся энергия.

Химические связи в АТФ между остатками фосфорной кислоты, богатые энергией, называются макроэргическими связями . Отщепление одной молекулы фосфорной кислоты сопровождается выделением энергии – 40 кДж.

АТФ образуется из АДФ и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ и в процессе фотосинтеза. Этот процесс называется фосфорилированием.

При этом должно быть затрачено не менее 40 кДж/моль энергии, которая аккумулируется в макроэргических связях. Следовательно, основное значение процессов дыхания и фотосинтеза определяется тем, что они поставляют энергию для синтеза АТФ, с участием которой в клетке выполняется большая часть работы.

АТФ чрезвычайно быстро обновляется. У человека, например, каждая молекула АТФ расщепляется и вновь восстанавливается 2 400 раз в сутки, так что ее средняя продолжительность жизни менее 1 мин. Синтез АТФ осуществляется главным образом в митохондриях и хлоропластах (частично в цитоплазме). Образовавшаяся здесь АТФ направляется в те участки клетки, где возникает потребность в энергии.

АТФ играет важную роль в биоэнергетике клетки: выполняет одну из важнейших функций – накопителя энергии, это универсальный биологический аккумулятор энергии.

Были открыты во второй половине 19 века Фридрихом Мишером, который выделил из ядер гноя сперматозоидов лосося вещество, которое назвал нуклеин. Позже это вещество было отчищено от белков и было выяснено, что это фосфоорганическая кислота. С точки зрения строения нуклеиновые кислоты представлены биополимерами, мономерами, которых являются нуклеотиды. Т.е. нуклеиновые кислоты это полинуклеотиды. Нуклеотиды - это сложные органические соединения, состоящие из трех компонентов: азотистое основание, пентоза, фосфатный остаток в количестве от 1 до 3 . с точки зрения строения нуклеотиды являются фосфорилированными нуклиозидами. Нуклеозиды - это соединения пентозы со сложным гетероциклическим соединением- азотистым основанием.

АЗОТИСТЫЕ ОСНОВАНИЯ.

Вода составе нуклеозидов встречаются два вида азотистых оснований, которые являются производными двух типов гетероциклов: пуринов и пиримидинов. Наиболее просто устроены пиримидиновые основания.

урацил (У, U) в урациле добавляется две функциональных карбонильных групп в 4 и 2 положении.

т. к. в урациле присутствуют электроотрицательный кислород, то это приводит к смешению электронной плотности О д- , Н д+ . Может реагировать с водой, образуя водородные связи.

тимин (Т).

цитозин (С, Ц).

Все пиримидиновые основания могут образовывать водородные связи с водой, т.к. они имеют электроотрицательные атомы, которые способно сдвигать электронную плотность на себя.

пиримидиновые азотистые основания образуются за счет присоединения к пиримидину О 2 , СН 3 и NH 2 групп.

Пуриновые основания являются производными пурина, которое состоит из 2 гетероциклов.

аденин (А)

гуанин (Г, G).

Поскольку в азотистых основаниях присутствуют электроотрицательные атомы, то происходит смещение электронной плотности, в результате чего они могут реагировать с водой и образовывать водородные связи, а также реагировать друг с другом. Устойчивые соединения образуют пиримидиновые основания с пуриновыми. Специфичным взаимодействием между определенными пуринами и пиримидинами получило название правило комплементарности, по этому правилу аденин соединяется с тимином или урацилом двумя водородными связями, а гуанин с цитозином - тремя связями. Правило комплиментарности является ведущим правилом в матричных процессах. Азотистые основания выполняет в клетке метаболическую функцию, т.е. входят в состав нуклеозидов.

НУКЛЕОЗИДЫ.

Нуклеозиды - это производные азотистых оснований, образуются за счет образования N-гликозидной связи между первым атомом углерода в пентозе и первым атомом азота в пиримидину или девятым атомом азота в пурине.

С точки зрения строения нуклеозиды делятся на:

пиримидиновые и имеют окончание - дин. В свою очередь, которые делятся на:

А) рибонуклеозиды, например: уридин, цитидин, тимидин.

В) дезоксирибонуклеозиды, например: дезокситимидин, дезоксицитидин, дезоксиурацидин.

пуриновые и имеют окончание -зин. Так же делятся на:

А) рибонуклеозиды, например: аденазин, гуанозин.

В) дезоксирибонуклеозиды, например: дезоксиаденазин, дезоксигуанозин.

Аденин, гуанин и цитозин встречаются как в дезокси- так и в рибонуклеозидах, а тимин образует устойчивые связи с дезоксирибонуклеозидами и урацил - с рибонуклеозидами.

Нуклеозиды выполняют только метаболическую функцию, входят в состав нуклеотидов.

НУКЛЕОТИДЫ.

Нуклеотиды образуются из нуклеозидов за счет образования фосфоэфирной связи между фосфатным остатком и 5 ’ гидроксильной группы. К нуклеозиду может присоединится от 1 до 3 фосфатных остатков. Фосфатные связи в нуклеотидах богаты энергией, при расщеплении одной фосфатной группы выделяется 36,36 кДж энергии. Легче всего отщепляется третий фосфатный остаток, а труднее первый. В качестве энергии можно использовать только две связи.

ФУНКЦИИ НУКЛЕОТИДОВ.

1. метаболическая - нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот.

2. энергетическая - в качестве источника энергии используются НТФ и в частности АТФ и ГТФ, т.к. они содержат макроэргические связи.

3. регуляторная :

а) нуклеозид трифосфат является донором фосфатной группы и с помощью специальных ферментов, например фосфокиназы можно переносить фосфатную группу на молекулу и тем самым изменять ее конформацию и активировать их. Это особенно важно в синтезе биополимеров. Фосфорилирования необходимо, для того чтобы проходили реакции полимеризации.

б) некоторые ферменты обладают АТФ-азной активностью и способны расщеплять молекулы АТФ и ГТФ и вследствие чего изменять свою конформации, а значит активность.

в) АТФ и ГТФ могут связываться с ферментами без гидролиза и белки меняют свою конформацию и свою активность. Такие белки называются АТФ-связывающими иГТФ-связывающими белками. АТФ-связывающим белком является актин, ГТФ-связывающим белком является тубулин.

г) регуляторную функцию могут выполнять циклические НМФ, которые образуются за счет действия определенных ферментов. Ц АМФ образуется за счет действия аденилатциклазы, Ц ГМФ образуется за счет действия гуанилатциклазы, которые отрывают два фосфатных остатка и в результате чего через фосфатную группу образуется цикл.

цНМФ

Эти молекулы являются сигнальными молекулами в системе вторичных посредников.

д) некоторые пурины могут служить сигнальными молекулами и выполнять функции нейромедиаторов в нервных синапсах.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

Это биополимеры мономерами, которых являются нуклеотиды, образуются за счет реакции поликонденсации и синтез нуклеиновых кислот идет от 5 " к 3 ’ концу. В реакцию вступают НТФ за счет энергии 2 макроэргических связей фосфатный остаток, находящийся на 5 ’ конце одного нуклеотиды реагирует с ОН группой находящийся на 3 ’ другого нуклеотида.

В молекуле нуклеиновых кислот можно выделить константную часть и вариабельную. Константной частью является сахарофосфатный остов, а вариабельной - азотистые основания. С точки зрения строения нуклеиновые кислоты можно разделить на следующие группы:

1. Динуклиотиды;
2. Олигонуклеотиды;
3. Полинуклеотиды.

Из динуклеотидов биологическое значение имеют НАД и ФАД (никотинамидадениндинуклеотид, флавинадениндинуклеотид) эти нуклеотиды вступают роли коферментов оксидоредуктаз. Полинуклеиновые кислоты ДНК и РНК. Модель строения ДНК была предложена в 1953 Уотсоном и Криком. Они предположили, что молекула имеет форма двуцепочечной спирали, причем спирали в этой молекуле связаны водородными связями через азотистые основания по правилу комплиментарности. Т.о. азотистые основания занимают центральную часть, а сахарофосфатный остов лежит на периферии молекулы. В спирали цепочки антипараллельны, т.е. разнонаправлены.

Модель была предложена на основе работ Чаргофа, который впервые выяснил, что количество пуринов в молекуле ДНК равно количеству пиримидинов. Уотсон и Крик предположили, что взаимодействуют только пурин с пиримидином, в таком случае расстояние между цепочками равно трем гетероциклам. Принципиальным отличием ДНК и РНК является, то, что, как правило, в ДНК содержится дезоксирибоза, а в РНК рибоза, в ДНК содержится азотистые основания: тимин, аденин, гуанин, цитозин, а в РНК: аденин, цитозин, урацил, гуанин. ДНК, как правило, представлено двуцепочечной молекулой, а РНК, как правило, одноцепочечной, исключения составляют вирусы.

ДНК - обеспечивает хранение, воспроизведение и начальные этапы реализации генетической информации, исключение вирусы.

РНК - участвует только в реализации генетической информации.

Хранение генетической информации основано на том, что в молекуле ДНК есть определенная нуклеотидная последовательность, которая называется геном. Гены отвечают за определенную структуру или функции в клетке, они несут информацию о структуре РНК, а так же информацию о связывание с определенными белковыми факторами.

Воспроизведение генетической информации основано на самоудвоении ДНК или репликации. В результате репликации образуется две дочернии молекулы ДНК идентичные друг другу и материнской по генетической информации. Процесс проходит перед делением клетки.

Процесс реализации генетической информации, которая проходит на молекуле ДНК заключается в считывание определенной молекулы РНК. Этот процесс получил название биосинтез РНК или транскрибция. РНК участвует в процессе реализации генетической информации, т.к. входит в состав белоксинтезирующего аппарата клетки.

Выделяют три типа РНК:

Информационные РНК или матричные РНК - эта молекула несет информацию о первичной структуре полипептидной цепи. Кроме того, в молекуле есть участки, которые позволяют ей связываться с рибосомами.

Рибосомальные РНК связываются с белками, образуя рибонуклеопротеиновый комплекс или РНП. Образует субьединицу рибосом.

Транспортные РНК её функция заключается в том, что она переводит «язык» нуклеотидной последовательности на «язык» аминокислот. Кроме того, т РНК могут взаимодействовать с активным центром рибосом и связываться с аминокислотами. Кроме этих видов РНК существует малая ядерная РНК . Она локализована только в ядре клетки и связана с белками и выполняют функцию рибозимов.

Для РНК-содержащих вирусов характерно то, что хранение, воспроизведение и реализацию генетической информации выполняют молекулы РНК. С эволюционной точки зрения считается. Что первыми возникли молекулы РНК, а затем часть функций они передали молекулам ДНК. Молекулы ДНК стабильнее, потому что они представлены двуцепочечными молекулами, и их водородные связи спрятаны и, кроме того, дезоксирибонуклеотиды стабильнее рибонуклеотидов.

Остановимся подробнее на нуклеотидах. Известно, что нуклеотиды называются аденин, гуанин, тимин, цитозин и урацил – азотистые основания, они представлены на рисунке ниже.

Нуклеотиды – это мономеры нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты в эукариотических клетках находятся в ядре. Они есть у всех живых организмов (у тех, у кого нет ядра, нуклеиновые кислоты все равно есть – они находятся в центре клетки у бактерий и образуют нуклеоиды). Мономеры, из которых потом строятся нуклеиновые кислоты, состоят из азотистого основания, остатка сахара (дезоксирибоза или рибоза) и фосфата. Сахара вместе с азотистым основанием называются нуклеозидами (аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин). Если к ним присоединены 1-, 2-, или 3-фосфорных остатка, то вся эта структура называется Соответственно, нуклеотизид монофосфатом, дифосфатом или трифосфатом или нуклеотидом (аденин, гуанин, тимин, цитозин).

Вот так модель АТФ выглядит в пространстве. Азотистое основание, входящее в состав ДНК делится на две группы – пиримидиновую и пуриновую. В состав ДНК входит аденин, тимин, цитозин и гуанин, в РНК вместо тимина урацил. Как известно, ДНК – это большой архив, в котором хранится информация, а РНК – это молекула, которая переносит информацию из ядра в цитоплазму для синтеза белков. С различием в функциях связаны различия в строении. РНК более химически активно из-за того, что ее сахар - рибоза – имеет в своем составе гидроксильную группу, а в дезоксирибозе кислорода нет. Из-за отсутствия кислорода ДНК более инертно, что важно для ее функции хранения информации, чтобы она не вступала ни в какие реакции.

Нуклеотиды способны взаимодействовать друг с другом, при этом «выбрасывается» два фосфора, и между соседними нуклеотидами образуется связь. В молекуле фуранозы молекулы углерода пронумерованы. С первым связано азотистое основание. Когда образуется цепочка нуклеотидов, связь осуществляется между пятым углеродом одной и третьим углеродом другой фосфорной кислоты. Поэтому в цепочке нуклеиновых кислот выделяют разные неравнозначные концы, относительно которых молекула не симметрична.

Комплементарные друг другу одноцепочечные молекулы нуклеиновой кислоты способны образовывать двуцепочечную структуру. Внутри этой спирали аденин образует пару с тимином, а гуанин - с цитозином. Встречается утверждение, что нуклеотиды подходят друг другу как осколки разбитого стекла, поэтому они и образуют пары. Но это утверждение неверно. Нуклеотиды способны образовывать пары как угодно. Единственная причина, по которой они соединяются так, и никак иначе, заключается в том, что угол между «хвостиками», которые идут к сахарам, совпадает только в этих парах, и, кроме того, совпадают их размеры. Никакая другая пара не образует такой конфигурации. А поскольку они совпадают, то их через сахаро-фосфатный остов можно связать друг с другом. Структуру двойной спирали открыли в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик.

При соединение друг с другом против 5’-конца одной нити находится 3’-конец другой нити. То есть нити идут в противоположных направлениях – говорят, что нити в ДНК антипараллельны.

На рисунке видна модель ДНК, видно, что аденин соединяется с тимином двумя водородными связями, а гуанин соединяется с цитозином тройной водородной связью. Если молекулу ДНК подогревать, то ясно, что две связи легче разорвать, чем три, это существенно для свойств ДНК.

В силу пространственного расположения сахаро-фосфатного остова и нуклеотидов, когда нуклеотиды накладывают один на другой и «сшивают» через сахаро-фосфатный остов, цепочка начинает заворачиваться, тем самым образуя знаменитую двойную спираль.

На рисунках представлены шариковые модели ДНК, где каждый атом обозначен шариком. Внутри спирали имеются бороздки: маленькая и большая. Через эти бороздки с ДНК взаимодействуют белки и распознают там последовательность нуклеотидов.

При нагревании ДНК водородные связи разрываются и нити в двойной спирали расплетаются. Процесс нагревания называется плавлением ДНК, при этом разрушаются связи между парами А-Т и Г-Ц.Чем больше в ДНК пар А-Т, тем менее прочно нити друг с другом связаны, тем легче ДНК расплавить. Переход из двухспиральной ДНК в одно-спиральную измеряется на спектрофотометрах по поглощению света при 260 нм. Температура плавления ДНК зависит от А-Т/Г-Ц состава и размера фрагмента молекулы. Ясно, что если фрагмент состоит из нескольких десятков нуклеотидов, то его гораздо легче расплавить, чем более длинные фрагменты.

У человека в гаплоидном геноме, то есть единичном наборе хромосом, 3 млрд. пар нуклеотидов, и их длина составляет 1,7 м, а клетка гораздо меньше, как вы догадываетесь. Для того, чтобы ДНК смогла в ней поместиться, она достаточно плотно свернута, и в эукариотической клетке свернуться ей помогают белки – гистоны. Гистоны имеют положительный заряд, а так как ДНК заряжена отрицательно, то гистоны обладают сродством к ДНК. Упакованная при помощи гистонов ДНК имеет вид бусин, называемых нуклеосомами. 200 пар нуклеотидов идет на одну нуклеосому, 146 пар накручиваются на гистоны, а остальные 54 висят в виде линкерных (связывающих нуклеосомы) ДНК. Это первый уровень компактизации ДНК. В хромосомах ДНК свернута еще несколько раз для того, чтобы образовались компактные структуры.

К нуклеиновым кислотам кроме ДНК относится также РНК. В клетке присутствуют разные типы РНК: рибосомные, матричные, транспортные. Существуют и другие виды РНК, о которых мы будем говорить позже. РНК синтезируется в виде одно-цепочечной молекулы, но отдельные ее участки входят в состав двуцепочечных спиралей. Для РНК также говорят о первичной структуре (последовательности нуклеотидов) и вторичной структуре (образование двуспиральных участков).