Химия нуклеиновых кислот

Общая характеристика нуклеиновых кислот

Замечательным свойством живых клеток является их способность к воспроизводству себе подобных с почти идеальной точностью на протяжении многих поколений. Конечно, под влиянием различных факто­ров внешней и внутренней среды происходили и проис­ходят определенные наследственные изменения — мутации, в результате чего живые организмы приоб­ретают новые качества, усиливающие или снижающие их способность к выживанию. Однако есть все основа­ния считать, что по размеру, форме, структуре стро­ительных белков многие современные бактерии, например, во многом сходны с жившими миллионы лет назад.

Доказано, что материальной основой воспроиз­водства являются нуклеиновые кислоты, которые хранят генетическую информацию и реализуют ее путем синтеза белковых молекул. Специфичность синтезированных белков и определяет структурное и функциональное многообразие клеток органов и тка­ней, в том числе у человека.

Основные данные о нуклеиновых кислотах были получены главным образом за последние 100 лет. Начало изучению этой проблемы было положено в 1869 г., когда Ф. Мишер (швейцарский врач) впервые выделил вначале из лейкоцитов гноя, а затем из сперматозоидов рыб новое вещество с высоким содержанием фосфора и назвал его нуклеином. О ее биологическом значении стало известно много позже, с 50-х годов прошлого столетия представления о строении и роли нуклеопротеинов выросло настолько, что было создано несколько направлений биологической науки: молекулярная биология, биотехнология, молекулярная генетика и т.д. Знание строения нуклеино­вых кислот позволяет понять механизмы передачи и реализа­ции генетической информации в клетке, овладеть основами понимания причин наследственных заболеваний. Нуклеотиды выполняют ряд специфических функций (хранение и передача генетической информации), некоторые из них используются в качестве лекарственных препаратов. Стали понятны причины многих полезней, сделаны первые шаги в исправлении генетических дефектов, изучаются механизмы деления клеток, ведется поиск средств лечения опухолей.

Нуклеиновые кислоты – это высокомолекулярные соединения, характеризующиеся определенным элементарным составом и распадающиеся при гидролизе на азотистые основания, пентозу и фосфорную кислоту.

Нуклеиновые кислоты представляют собой поли­меры с молекулярной массой от нескольких тысяч до миллиардов и состоят из многих тысяч мономеров — мононуклеотидов. Мононуклеотиды, соединяясь друг с другом, формируют цепи олиго- и полинуклеотидов. К полинуклеотидам относятся и нуклеиновые кислоты.

Дезоксирибонуклеопротеины (ДНП) сосредоточены главным образом в ядре клетки и в очень небольших количествах встре­чаются в цитозоле, а рибонуклеопротеины (РНП) выполняют свои функции в цитозоле, и только небольшая их часть вхо­дит в состав ядер. Олигонуклеотиды (НАД⁺, ФАД) участвуют в реакциях переноса водородов в системах фермен­тов тканевого дыхания. Мононуклеотиды, кроме своего учас­тия в образовании нуклеиновых кислот, являются участника­ми обмена энергии в клетке, мессенджерами в действии гор­монов на клетки.

Мононуклеотид (мономер нуклеиновых кислот) состоит из молекулы азотистого основания, углевода (пентозы) и остатка фосфорной кислоты:

Основание – пентоза – фосфат

Углеводы в мононуклеотидах представлены пентозами — рибозой и дезоксирибозой. Соответствен­но тому, какая из пентоз содержится в мононуклеоти­дах, нуклеиновые кислоты получили названия рибо­нуклеиновой (РНК) или дезоксирибопуклеиновой (ДНК).

Азотистые основания – это гетероциклические соединения с основными свойствами. В состав нуклеиновых кислот входят основания пуринового и пиримидинового ряда. Их называют также нуклеи­новыми основаниями.

Пуриновые основания в нуклеиновых кислотах: аденин — 6-аминопурин и гуанин — 2-амино-6-гидроксипурин, которые обычно обозначаются заглавны­ми буквами — А и Г.

Пиримидиновые основания представлены урацилом — 2,6-дигидроксипиримидином (У), тимином — 5-метилурацилом (Т) и цитозином — 2-гидрокси-6-аминопиримидином (Ц).

В природе эти соединения встречаются как в кетонной, так и енольной форме. Однако в составе нуклеи­новых кислот они представлены только кетонной фор­мой.

Соединение азотистого основания с пентозой на­зывается нуклеозидом, связь при этом образуется между азотом в 9-м положении пуриновых или 3-м положении пиримидиновых оснований и углеродом в 1-м положении пентозы:

Мононуклеотид образуется путем присоединения фосфорной кислоты к 5-му углеродному атому пентозы нуклеозида и имеет следующую структуру:

Остаток фосфорной кислоты присоединяется в мононуклеотиде к гидроксильным группам пентозы.

Углеродные атомы пентозы обозначаются цифрами со штрихом в отличие от обозначений атомов основания. К одному атому пентозы могут присоединяться от одного до трех остатков фосфорной кисло­ты.

Таблица №1 «Название составных частей нуклеиновых кислот»

♦ Название мононуклеотида состоит из названия нуклеозида, указания места присоединения и количества остатков фосфорной кислоты.

♦ Название рибонуклеозидов пуринового ряда имеет характер­ное окончание «-озин», а пиримидинового ряда «-идин».

♦ В названии мононуклеотидов, содержащих дезоксирибозу, используется дополнительная приставка «дезокси-».

Например, нуклеозид, состоящий из аденина и рибозы, называют аденозином. Если к этому нуклеозиду присоединить остаток фосфорной кислоты в положении 5', то такой мононуклеотид называется аденозин-5'-монофосфорная кислота, или аденозин-5'-монофосфат или аденозинмонофосфорная кислота (АМФ). Если к тому же атому пентозы присоединить еще один ос­таток фосфорной кислоты, то соответственно образуется аденозин-5'-дифосфорная кислота, или аденозиндифосфат или аденозиндифосфорная кислота (АДФ), и, наконец, добавление третьего остатка приведет к образова­нию аденозин-5'-трифосфорной кислоты, или аденозинтрифосфата или аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Остатки фосфорной кислоты обозначаются соответственно α, β и γ. Введение β-остатка и γ-остатка повышает свободную энергию реакции гидролиза таких соединений до 50 кДж/моль. Это количество энергии сохраняется в нуклеозидтрифосфатах и может быть использовано для проведения потребляющих энергию сопряженных химических реакций в клетке. Соединения, в которых изменения свободной энер­гии реакции гидролиза превышают значения 40 кДж/моль, по­лучили название макроэргов. Макроэргические связи в таких соединениях обозначаются значком «~». Сумма адениловых нуклеотидов АТФ, АДФ и АМФ обозначается как адениловая система и широко используется в клетке как основная сопрягающая система между окислительными реакциями, производящими энергию, и процессами, потребляющими энергию.

Специфические функции мононуклеотидов:

· Циклические мононуклеотиды. При образовании еще од­ной фосфоэфирной связи между гидроксильной группой З'-углеродного атома рибозы и ОН-группой фосфорной кислоты обычного аденозинмонофосфата образуется цик­лический мононуклеотид. Циклическим его называют потому, что остаток фосфата замыкает кольцо между 3' и 5' атомами одной и той же пентозы. Такие мононуклео­тиды обозначают буквой «ц» (цАМФ, цГМФ). Цикличес­кие мононуклеотиды образуются при помощи специаль­ных ферментов нуклеотидциклаз из соответствующих нуклеозидтрифосфатов. Циклические нуклеотиды выполня­ют роль внутриклеточных мессенджеров в действии гор­монов на клетку.

· Кофермент А (коэнзим А). Одним из важнейших проме­жуточных соединений в обмене веществ является оста­ток уксусной кислоты, который переносится в форме «ак­тивного» ацетата. Активатором этого соединения являет­ся коэнзим А (коэнзим ацилирования). Его можно рассматривать как производное АМФ:

Коэнзим А — это своеобразный тиоспирт, образующий с карбоновыми кислотами эфиры. Образование таких эфиров — один из важнейших типов реакций метаболизма.

· Пиридиновые и флавиновые нуклеотиды. В процессах окисления в клетке особое место принадлежит пе­реносчикам атомов водорода.

Эту роль успешно выполняют нуклеотиды, в состав ко­торых входят азотистые основания и производные пиридина (никотинамид) или изоаллоксазина (флавин). Схематичес­кое строение таких нуклеотидов выглядит следующим обра­зом.

В ФМН и ФАД входит витамин В₂, а вместо рибозы — рибитол (пятиатомный спирт). Все указанные соединения яв­ляются коферментами и выполняют роль промежуточных пере­носчиков водорода в цепях переноса протонов и электронов клеток.

Свободные нуклеотиды

К свободным нуклеотидам относятся нуклеозидтрифосфаты: АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, ТТФ, а также ц-АМФ, ц-ГМФ.

АТФ — универсальный аккумулятор энергии в живых организмах и субстрат для биосинтеза нук­леиновых кислот. В норме в тканях на долю АТФ приходится 75% адениновых нуклеотидов. В клет­ках энергия, накопленная в виде АТФ, использует­ся в многочисленных процессах: различные фор­мы движения, внутриклеточный транспорт ионов и других веществ, биосинтез белков, нуклеиновых кислот, жирных кислот, липидов, углеводов и т. д.

АТФ, АДФ и АМФ являются аллостерическими модуляторами многих ферментов.

Адениновые нуклеотиды в организме человека понижают кровяное давление, активируют муску­латуру матки, усиливают сократительную деятель­ность сердечной мышцы, поэтому находят приме­нение при спазмах сосудов, миокардиострофии, мы­шечной дистрофии и др.

В крови здорового человека содержание АТФ со­ставляет 48,8 мг/100 мл.

При авитаминозах РР, В₁, В₂, К, при недостатке кислорода синтез АТФ в тканях уменьшается.

Падение уровня АТФ в крови наблюдается при циррозе печени, инфаркте миокарда, при травмах черепа и опорно-двигательного аппарата, при бронхиальной астме, пневмониях.

Особую роль в организме играет ц-АМФ, которая является посредником в осуществлении функций различных гормонов и других биологически активных соединений. Образуется ц-АМФ из внутриклеточной АТФ.

Адреналин, глюкагон, а также секретин, окситоцин, рилизинг-факторы гипоталамуса, АКТГ, меланостимулирующий гормон, простагландины изменяют активность аденилатциклазы и осуществляют свое действие с помощью образующейся ц-АМФ. ц-АМФ представляет собой универсальный эффектор, способный изменять активность разнообразных внутриклеточных ферментов, через протеинкиназу (например, фосфорилазы, липазы и др.) – вторичный посредник.

ц-АМФ действует как мощный активатор фосфорилирования гистонов, влияя на транскрипцию. Концентрация ц-АМФ в тканях в среднем составляет 10^-9 моль/г.

Нуклеотиды входят в состав коферментов НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД, ФМН, а также в состав ФАФС, УДФГК.

Структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — это полинуклеотиды. При соединении мононуклеотидов с помощью фосфодиэфирной связи между 3'-углеродным атомом пентозы одного нуклеотида и 5'-углеродным атомом пентозы другого образу­ются полинуклеотиды. Их молекулярная масса может достигать десятков миллионов.

Продолжение »