Часть 5

ГЛАВА 3.  НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновым кислотам, как и белкам, принадлежит ведущая роль в явлениях жизни. Они являются генетическим материалом всех живых организмов и вирусов.

3.1.  Химический состав нуклеиновых кислот

При нагревании с  хлорной кислотой нуклеиновые кислоты распадаются на следующие типы веществ: пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, пентозы и ортофосфорную кислоту.

Из пентоз в нуклеиновых кислотах обнаружены  р и б о з а   и        д е з о к с и р и б о з а. В составе нуклеиновых кислот оба сахара находятся в  b-D-рибофуранозной форме:

                                                   5                                                                                                   5

 ОН                    О                     СН₂ОН                                       ОН                   О                      СН₂ОН

                                               

          1                                4                                                                 1                                4

Рекомендуемые материалы

                  Н            Н                                                                                          Н    Н            

 Н                  2      3                      Н                                             Н                     2      3                    Н

     

               ОН             НО                                                                                Н                   ОН

        b-D- Рибоза                                        b-D-2 Дезоксирибоза

Нуклеиновые кислоты, в зависимости от химической природы входящего в их состав сахара, делят на два типа:           р и б о н у к л е и н о в ы е  (РНК), содержащие рибозу, и              д е з о к с и р и б о н у к л е и н о в ы е (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

Пуриновые азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными  п у р и н а, молекула которого состоит из двух конденсированных колец: пиримидина и имидазола: - а д е н и н  (А)  и  г у а н и н (Г):

                                                 NH₂                                                                                    O       

                                                                        ê                                                            êê

           6                N                                             N                                                    N  

  N1         5          7                      N                                               NH

                                    8                                         

      2         4           9                               

            3               N                                             N                                                    N

            N               ê                            N               ê            H₂N             N                  ê 

                             H                                             H                                                     H

                     Пурин                                        Аденин (А)                                   Гуанин (Г) 

Пиримидиновые азотистые основания являются производными      п и р и м и д и н а. Из пиримидиновых оснований в составе нуклеиновых кислот постоянно обнаруживают  ц и т о з и н  (Ц), у р а ц и л (У),  т и м и н (Т):

                                          NH₂                                       О                                O

           4                             ê                                           ÷ ç                               ÷ ç

    N3     5                 N                                                                                              _¾CH₃

                                                                               NH                             NH

      2       6                                                           

  1                O        N                               O         N                    O          N

  N                          ê                                              ç                                  ç 

                              H                                             H                                H

    Пиримидин            Цитозин (Ц)                                      Урацил (У)                        Тимин (Т)

Нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга составом азотистых оснований. В состав ДНК входят аденин, гуанин, цитозин, тимин; в состав РНК  -  аденин, гуанин, цитозин, урацил.

Входящая в состав нуклеиновых кислот  ф о с ф о р н а я  кислота, придает им свойства кислот.

3.2. Стуктурные компоненты нуклеиновых кислот.

Полинуклеотиды

Структурными компонентами нкулеиновых кислот являются нуклеотиды или мононуклеотиды.

Нуклеотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, пентозы (рибозы или дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Сахар в нуклеотидах занимает среднее положение. При отщеплении от нуклеотида остатка фосфорной кислоты остается еще более простое соединение  -  н у к л е о з и д.

Примеры химического строения нуклетидов и нуклезидов приведены ниже.

Нуклеотиды, содержащие рибозу, называют общим словом  рибонуклеотиды, а содержащие дезоксирибозу  -  дезоксирибонуклеотиды. Названия отдельных нуклеозидов и нуклеотидов с указанием входящих в них азотистых оснований приведены в табл. 3.1. Следует отметить, что в названии нуклеотидов используют два подхода: их рассматривают как кислоты (например, адениловая кислота и др.) или как фосфорные эфиры (например, аденозинмонофосфат и др.).

В таблице приведены названия нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих рибозу. В названии рибозных производных тимина часто употребляют приставку    “рибо”:  риботимидин, риботимидиловая

Таблица 3.1  Номенклатура нуклеозидов и нуклеотидов

кислота (риботимидинмонофосфат). Если в состав нуклеозида или нуклеотида входит дезоксирибоза, то перед полным названием каждого из них ставится приставка  “дезокси”, а перед сокращенным названием  - строчная буква “д”, например, дезоксиаденозин, дезоксиадениловая кислота (дезоксиаденозинмонофосфат, дАМФ).

Приводим примеры химического строения нуклеозидов и нуклеотидов, содержащих аденин и цитозин:

                 NH₂                                                                      NH₂

       ½                                                                                        ½

       6             N                                                             4

        N 1     5       7                                                        N 3    5

   2     4          8                                                         2    6

      3          9                                                    O=     1  

                N        N            O               5¢                              N               O                 5¢

                                                          CH₂ OH                                                         CH₂ OH

                            1¢ H  H   4¢                                                       1¢ H   H   4¢

                  H          2¢ 3¢          H                                    H          2¢ 3¢          H

                          OH         OH                                                 OH         OH

                            Аденозин                                                            Цитидин

                NH₂                                                                      NH₂

       ½                                                                                         ½

      6              N                                                             4

        N 1     5       7                                                        N 3    5

   2     4          8                                                         2    6

      3          9                                     ОН         O=      1                                          ОН

              N          N            O            5¢       ½                        N               O             5¢       ½

                                                   Н₂ C-О-Р=O                                                 Н₂C-О-Р=O

                             1¢ H  H   4¢             ½                                      1¢ H   H   4¢              ½

                  H          2¢ 3¢          H      ОН                        H          2¢ 3¢          H       ОН

                         OH         OH                                                 OH         OH

    Адениловая кислота                           Цитидиловая кислота

     

Остальные нуклеозиды и нуклеотиды, освобождающиеся при гидролизе нуклеиновых кислот, имеют аналогичное химическое строение. Для записи нуклеотидов и их компонентов существует схематическая символика (приводим одну из них):

 Р

                                                             Р                               

  Нуклеотид            Фосфат              Пентоза            Основание

Нуклеиновые кислоты представляют собой п о л и н у к л е о т и д ы. Последовательно расположенные в молекулах нуклеиновых кислот нуклеотиды ковалентно соединены друг с другом при помощи фосфатных “мостиков”. Роль этих мостиков выполняет ф о с ф о д и э ф и р н а я связь между С-3¹ рибозы или дезоксирибозы одного нуклеотида и  С-5¹ рибозы или дезоксирибозы соседнего нуклеотида (рис 3.1). Связь между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах обозначют как    3¹ ¾®5¹ фосфодиэфирную  связь.

Рис. 3.1 Строение фрагмента нуклеиновой кислотыI - полусхематическая и II - схематическая форма записи; 1 и 2 - фосфодиэфирная связь; А, Г, Ц,   -  азотистые основания; у РНК  R - есть группа  -ОН, а у ДНК  R  -  -Н.

Из строения фрагмента нуклеиновой кислоты видно, что на одном его конце при 5¹-углеродном атоме пентозы нуклеотид содержит остаток фосфорной кислоты, а на противоположном конце при 3¹-углеродном атоме пентозы - гидроксильную группу. Такие нуклеотидные остатки образуют  5¹  и  3¹-концы  полинуклеотидных цепей в молекулах нуклеиновых кислот.

3.3. Строение и билогическая роль ДНК

ДНК служит универсальным хранителем и источником наследственной информации, записанной в виде специальной последовательности нуклеотидов и определяющей свойства живого организма. Ее молекулярная масса колеблется от 10⁷  до 10⁹, а число нуклеотидных остатков в молекуле достигает нескольких сотен тысяч и даже миллионов. Как уже было сказано, из главных азотистых оснований в ДНК содержится аденин, гуанин, цитозин и тимин.

        Основная масса ДНК сосредоточена главным образом в ядрах клеток. Некоторое   ее количество содержится в митохондриях и хлоропластах. ДНК ядра клеток животных и растений представляет собой не одну молекулу, а состоит из многих молекул, распределенных по разным хромосомам, число которых зависит от вида организма.

На основании работ Э.Чаргаффа с сотрудниками и результатов рентгеноструктурного анализа М.Уилкинса и Р.Франклин, а также с учетом химических данных, полученных другими авторами,  Д.Уотсон и Ф.Крик  предложили в 1953 году модель стуктуры ДНК.

Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных  вправо вокруг одной и той же оси образуя двойную спираль.

В силу пространственного соответствия структур двух молекул соединяться водородными связями могут лишь аденин с тимином и наоборот, а также гуанин с цитозином и наоборот. Причем между аденином и тимином образуются две вородные связи, а между гуанином и цитозином – три (рис.3.2).

Пространственное соответствие структур двух молекул (в случае ДНК пуринов и пиримидинов) получило в химии название к о м п л ем е н т а р н о с т и. Вследствие комплементарности нуклеотидная последовательность одной цепи ДНК однозначно определяет нуклеотидную последовательность другой цепи.

Модель молекулы ДНК позволяет объяснить механизм передачи генетической информации, закодированной в ДНК, от одного поколения к другому. По этому механизму цепи ДНК  разделяются и вдоль каждой из них синтезируется новая цепь, что дает в результате две новые молекулы ДНК, по одной на каждую из двух дочерних клеток (рис 3.4). Синтез дочерней молекулы двухцепочечной ДНК, идентичной  родительской  двухцепочечной  ДНК  получил  название   р е п л и к а ц и я.

Рис. 3.2 Схематическое  изображение струтуры молекулы ДНК

1.Малая борозда; 2.Большая борозда; 3.Углеводно-фосфатный остов;          4.Азотистые основания; 5.Водородные связи между азотистыми основаниями.

Рис. 3.4 Схема репликации ДНК

                                                                                          -А-Т-А-Ц-Г-

                                                                                            :   :   :  :  :

                                          -А-Т-А-Ц-Г                       -Т-А-Т-Г-Ц-

-А-Т-А-Ц-Г

  :   :   :  :  :

-Т-А-Т-Г-Ц                                                                                        

                                          -Т-А-Т-Г-Ц                       -А-Т-А-Ц-Г-

                                                                                            :   :   :  :  :

                                                                                          -Т-А-Т-Г-Ц-

У нуклеиновых кислот, как и у белков, различают первичную, вторичную и третичную структуры.

3.4. Строение и биологическая роль РНК

Рибонуклеиновые кислоты представляют собой одноцепочечные молекулы разной длины. Последовательность нуклеотидов,т.е. первичная структура, различных РНК, содержащихся в клетке определяется последовательностью нуклеотидов в ДНК -матрице. РНК имеют также вторичную и третичную структуры.

В зависимости от функций и местонахождения в клетке РНК делят на три основных типа: рибосомные (рРНК), информационные, или матричные (иРНК , или мРНК) и транспортные (тРНК).

Вам также может быть полезна лекция "2.10. Роль структуры управления в ИС".

Р и б о с о м н ы е  РНК (рРНК) составляют до 80-90% от всей РНК клетки. Они содержатся в рибосомах - внутриклеточных органеллах, принимающих участие в биосинтезе белка.

М а т р и ч н ы е  РНК (мРНК) составляют около 5% общей массы рибонуклеиновых кислот клетки. Их молекулярная масса колеблется в пределах 300 тыс  -  2млн. Функция мРНКзаключается в переносе генетической информации, записанной в ДНК, на синтезируемый белок.

Нуклеотидный состав  мРНК подобен нуклеотидному составу одного из участков цепи ДНК, т.е. тройка оснований в ДНК (кодоген, или рождающий код) определяет соответствующую тройку оснований (кодон) в молекуле мРНК. Матричные РНК присутствуют в ядре (где они синтезируются) и в цитоплазме.

Функции тРНК заключаются в доставке аминокислот к рибосомам, взаимодействии с мРНК и рибосомами в процессе биосинтеза белка.  Для перноса каждой аминокислоты имеется своя собственная тРНК, а для некоторых из них известно несколько тРНК и общее число видов тРНК доходит до 60.

Рис. 3.5. Структура тРНК типа клеверного листа  1,2 и 3 - основные петли; 4 - минорная петля; 5 - антикодон; 6 - водородные связи; 7 - акцептиру-ющий аминокислоту стебель

Форма молекулы транспортных РНК укладывается в структуру, получившую название типа  к л е в е р н о г о  л и с т а (рис 3.5).