Нуклеиновые кислоты

1.

Запорожский государственный медицинский университет
Кафедра органической и биоорганической химии

2.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ
В 1869 году , когда Ф. Мишер выделил из ядер клеток особое вещество,
обладавшее кислыми свойствами и названное им нуклеином. Нуклеин
содержал большое количество фосфора. В 1889 году Альтман ввёл
термин – нуклеиновая кислота. Начиная с 1879 года А. Коссель стал
проводить свои исследования по химии нуклеина. Он показал, что в его
состав кроме фосфорной кислоты входят пурины и пиримидины
(азотистые основания),
а также углеводные компоненты. Было
обнаружено четыре азотистых оснований: два пурина – аденин и гуанин и
два пиримидина – тимин и цитозин.
В
1924
году
Р.
Фельген
разработал
методы
цитологического
распознавания ДНК и РНК. Оказалось, что фуксин избирательно
связывается с ДНК. Ранее считалось, что ДНК свойственна только
животным клеткам. Фельген обнаружил ДНК в ядрах клеток растений. Он
цитологически показал, что ДНК локализирует в ядрах клеток, а РНК – в
цитоплазме. В 1936 году А. Н. Белозёрским и Н. И. Дубровской ДНК в
чистом виде была выделена из ядер растений. В 1934 году Т. Касперссон,
используя специфику поглощения ДНК ультрафиолетового цвета, показал
связь молекул ДНК с хромосомами.
Хаймарстен и Касперссон обнаружили, что молекулы ДНК обладают
большим молекулярным весом, превышающим вес молекул белка. В это
же время В. Стэнли, Ф. Боуден и Н. Пири, исследуя растительные вирусы,
пришли к заключению, что все вирусы содержат нуклеиновую кислоту. В
свете этого они считали возможным придать нуклеиновым кислотам
значение генетического материала.
Эти открытия стимулировали глубокий интерес к молекулам ДНК и их
генетической роли.

3.

ТИПЫ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ
Существует три типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты),
РНК (рибонуклеиновые кислоты) и АТФ (аденозинтрифосфат). Подобно углеводам и
белкам, это полимеры. Как и белки, нуклеиновые кислоты являются линейными
полимерами. Однако их мономеры – нуклеотиды – являются сложными веществами, в
отличие от достаточно простых сахаров и аминокислот.
Дезоксирибонуклеиновые
кислоты (ДНК)
Различия в
строении
Рибонуклеиновые
кислоты (РНК)
1. Содержат остатки дезоксирибозы
1. Содержат остатки рибозы
2. Содержат остатки азотистых
оснований А,Г,Ц,Т
2. Содержат остатки азотистых
оснований А,Г,Ц,У
3. Как правило представляют собой 3. В большинстве случаев
двухцепочечные молекулы
одноцепочные молекулы
Роль в живых
организмах
Хранит и передает генетическую
информацию
Копируют генетическую
информацию; переносят ее к
месту синтеза белка; участвуют в
процессе синтеза белка
Нуклеиновые кислоты, как и белки, обладают первичной структурой (т.е.
определенной
последовательностью
нуклеотидных
остатков
в
нуклеотидной цепи) и трехмерной (пространственной) структурой.
поли-

4. Нуклеиновые кислоты (НК)

НК- это полинуклеотиды, т.е. биополимеры,
мономерами которых являются нуклеотиды.
Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов
Нуклеозиды - гликозиды, образованные
нуклеиновыми основаниями и пентозами
(рибозой или дезоксирибозой)

5. Нуклеиновые кислоты

6. Нуклеиновые кислоты

Гидролиз
РНК
H2O
O
HO
P
O
CH2
OH
B
O
H
ДНК
CH2
B
O
H
OH
H2O
HO
OH
O
B
H
OH
OH
+
H
H
H
OH
CH2
H
H
H
H
OH
H2O
HO
-H3PO4
H
H
H2O
OH
O
HO
P
O
CH2
OH
H
H
B
O
-H3PO4
H
H
OH
H
H2O
HO
CH2
H
H
B
O
H
HO
CH2
H
H
H
OH
H2O
H
OH
O
+
H
H
OH
H
B

7. Нуклеиновые основания пуриновые основания

NH2
N
N
N
Аденин
N
H
O
H
H2N
OH
N
N
N
N
H
N
N
H2N
N
N
H
Гуанин

8. Нуклеиновые основания пиримидиновые основания

Лактим-лактамная таутомерия
OH
O
H
N
N
HO
N
O
H
Урацил
O
N
Тимин
CH3
N
HO
N
H
O
OH
CH3
N
N
O
H
NH2
NH2
N
N
HO
H
Цитозин
N
N

9. Нуклеозиды

Нуклеозиды-гликозиды, образованные нуклеиновыми
основаниями и пентозой (рибозой или дезоксирибозой)
O
H
N
O
O
N
Урацил
H
N
H
HO
CH2
H
H
OH
O
HO
CH2
H
H
OH
O
OH
Рибоза
N
O
H
+
H
H
H
OH
OH
Уридин
H2O

10. Нуклеозиды

Надо иметь ввиду, что можно и иногда надо писать нуклеиновое
основание развёрнутым на 180 градусов. Поэтому потренируйтесь
изображать нуклеозиды разными способами.
O
H
N
O
HO
CH2
H
H
O
N
N
N
HO
O
H
H
H
H
OH
CH2
OH
H
H
OH
Уридин
O
OH
H
O

11. Нуклеозиды

O
H
N
O
HO
CH2
H
H
N
N-Гликозидная связь
O
H
H
OH
OH
Уридин

12. Нуклеозиды

O
H
N
N
O
HO
CH2
H
H
CH3
O
H
H
OH
H
Тимидин

13. Нуклеозиды

NH2
NH2
N
N
O
HO
CH2
H
H
N
HO
O
OH
CH2
H
H
H
OH
Цитидин
N
O
H
O
H
H
OH
H
Дезоксицитидин

14. Нуклеозиды

NH2
NH2
N
N
N
N
N
HO
N
CH2
H
H
O
HO
CH2
H
H
OH
N
N
OH
Аденозин
H
H
O
H
H
OH
H
Дезоксиаденозин

15. Нуклеозиды

NH2
N
N
HO
CH2
H
H
N
N
N
N
HO
O
CH2
H
H
H
OH
NH2
OH
Аденозин
H
O
H
H
OH
H
Дезоксиаденозин
N
N

16. Нуклеозиды

O
H
N
N
CH2
H
H
O
HO
CH2
H
OH
Гуанозин
N
N
H2N
H
OH
N
H N
N
N
H2N
HO
O
H
H
O
H
H
OH
H
Дезоксигуанозин

17. Гидролиз нуклеозидов

NH2
N
N
HO
CH2
H
H
NH2
N
HO
O
H2O
H
H
OH
N
OH
аденозин
CH2
H
H
OH
OH
N
O
+
H
H
N
OH
H
рибоза
N
N
аденин

18. Нуклеотиды

Нуклеотиды - фосфорные эфиры нуклеозидов
сложноэфирная связь
NH2
N
O
HO
P
N
O
CH2
OH
H
H
N
N-гликозидная связь
O
H
H
OH
N
OH

19. Нуклеотиды

NH2
N
O
HO
P
N
O
CH2
OH
H
H
N
N
O
N
HO
O
P
N
O
CH2
OH
H
H
OH
O
OH
Аденозин-5’-фосфат
Аденозинмонофосфат (АМФ)
5’-адениловая кислота
H
H
N
N
NH2
O
H
H
OH
OH
Гуанозин-5’-фосфат
Гуанозинмонофосфат (ГМФ)
5’-гуаниловая кислота

20. Нуклеотиды

O
NH2
N
O
HO
P
N
O
CH2
OH
H
H
H
N
HO
O
H
P
N
O
CH2
OH
H
OH
O
O
OH
Уридин-5’-фосфат
Уридинмонофосфат (УМФ)
5’-уридиловая кислота
H
H
O
O
H
H
OH
OH
Цитидин-5’-фосфат
Цитидинмонофосфат (ЦМФ)
5’-цитидиловая кислота

21. Нуклеотиды

Название как
монофосфатов
Название как кислот
Сокращение
Аденозин-5’-фосфат
5’-Адениловая кислота
АМФ
Гуанозин-5’-фосфат
5’-Гуаниловая кислота
ГМФ
Цитидин-5’-фосфат
5’-Цитидиловая кислота
ЦМФ
Уридин-5’-фосфат
5’-Уридиловая кислота
УМФ
Дезоксиаденозин-5’фосфат
5’-Дезоксиадениловая кислота
дАМФ
Дезоксигуанозин-5’фосфат
5’-Дезоксигуаниловая кислота
дГМФ
Дезоксицитидин-5’фосфат
5’-Дезоксицитидиловая кислота
дЦМФ
Тимидин-5’-фосфат
5’-Тимидиловая кислота
дТМФ

22. Нуклеотиды

Сокращения АМФ, ГМФ и т.д. относят к 5’-нуклеотидам.
У других нуклеотидов в сокращённом названии указывают
положение фосфата
NH2
N
N
5'
HO
CH2
N
N
O
4'
1'
3' 2'
OH
O
HO
P
O
OH
Аденозин-3’-фосфат
3’- Аденозинмонофосфат (3’- АМФ)
3’-адениловая кислота

23. Нуклеотиды Циклические нуклеотиды

NH2
N
5'
O CH2
N
O
4'
HO
P
O
1'
3'
2'
O
цAMФ
OH
N
N

24.

Циклический
аденозинмонофосфат
(циклический AMФ, цAMФ, cAMP) —
Циклический нуклеотид, играющий роль
вторичного посредника некоторых гормонов
(глюкагона или адреналина), которые не
могут проходить через клеточную мембрану.
У прокариот цAMФ участвует в регуляции
метаболизма.

25. Гидролиз нуклеотидов

NH2
N
O
HO
P
N
N
O
CH2
OH
NH2
N
N
N
HO
O
H
CH2
H
H
OH
H2O
H3PO4
OH
H
H
H
OH
АМФ
HO
OH
аденозин
NH2
CH2
H
H
OH
OH
N
O
+
H
H
N
OH
H
рибоза
N
N
аденин
N
H2O
O
H
H
N

26. Нуклеотиды дифосфаты и трифосфаты

NH2
N
O
HO
P
CH2
OH
N
N
N
O
NH2
O
N
HO
O
H
H
H
АМФ
O
P
OH
H3PO4 H2O
H
OH
P
O
O
CH2
OH
H
H
OH
Ангидридные Сложноэфирная
связи
связь
NH2
HO
O
O
P O
P
OH
OH
O
O
P
N
O
CH2
OH
H
H
АТФ
O
H
H
OH
OH
АТФ – универсальный макроэрг
N
N
O
H
H
OH
N
H3PO4 H2O
N
OH
АДФ
N
N

27.

ДНК
Английские ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик в 1953 г.
предложили пространственную модель молекулы ДНК.
Согласно этой модели, макромолекула ДНК представляет собой
спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, закрученных
вокруг общей оси.
Азотистые основания располагаются внутри спирали. На 1 виток
спирали приходится, как правило, 10 нуклеотидов.
Цепи
выстраиваются
в
противоположных
направлениях
и
удерживаются вместе водородными связями, образующимися между
пуриновыми и пиримидиновыми основаниями. Водородные связи
образуются лишь между определенными основаниями: А = Т
(соединены двумя водородными связями); Г = Ц (соединены тремя
водородными
связями).
Такие
пары
оснований
называются
комплементарными парами.
Таким образом, вторичная структура ДНК — это двойная спираль,
образующаяся за счет водородных связей между комплементарными
парами гетероциклических оснований.
длина молекулы ДНК хромосомы человека достигает 8 см, но
умещается в хромосоме длиной в несколько нано метров. Это
объясняется тем, что двухцепочечная спираль ДНК в пространстве
укладывается в еще более сложную кольцевую форму, или
суперспираль.
Генетическая информация, необходимая для управления синтезом
белков
со
строго
определенной
структурой,
закодирована
нуклеотидной последовательностью цепи ДНК.
В ДНК содержится всего 4 основания (А, Г, Ц, Т), кодирующей
единицей для каждой аминокислоты белка являются триплет (код из
трех оснований), всего возможны вариантов б4(43 = 64). Это более
чем достаточно для кодирования 20 различных аминокислот
входящих в состав белков.

28.

ДНК.СТРОЕНИЕ
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота –
высокомолекулярный линейный полимер,
состоящий из двух полинуклеотидных
цепей.
Мономерами
ДНК
являются
нуклеотиды 4 типов: А, Т, Г и Ц; все они
построены
на
основе
сахара
дезоксирибозы. Повторяться внутри ДНК
нуклеотиды
могут
бесчисленное
количество
раз:
23
молекулы
ДНК
человека, например, содержат в себе более
3 млрд. пар нуклеотидов! Каждая из цепей
ДНК является линейным полимером, в
котором
нуклеотиды
последовательно
соединены друг с другом при помощи
ковалентной
фосфодиэфирной
связи,
которая образует между молекулой сахара,
одного нуклеотида и фосфорной кислотой
другого нуклеотида.

29.

СТРОЕНИЕ ДНК
Образующаяся в результате
цепочка имеет гигантскую
длину – десятки и сотни
миллионов нуклеотидов и
вес 1010 -1111 . Она столь
велика, что молекулу ДНК
видно в световой микроскоп
в виде хромосомы.
В отличие от остальных веществ
клетки, ДНК представляет собой
двухцепочную молекулу, в которой
обе цепи прочно связаны друг с
другом.
Существование
подобной
структуры
возможно
благодаря
особенностям строения нуклеотидов.
Цепи ДНК ориентированы строго
определённым образом: азотистые
основания нуклеотидов обеих цепей
обращены
внутрь,
а
сахара
и
фосфаты – наружу; кроме того, цепи
расположены очень близко друг к
другу (около 1,8 нм).

30.

ФУНКЦИИ ДНК
Функцией ДНК является
хранение,
передача
и
воспроизведение в ряду
поколений
генетической
информации. В организме
ДНК,
являясь
основой
уникальности
индивидуальной
формы,
определяет, какие белки и
в
каких
количествах
необходимо
синтезировать.

31.

СТРОЕНИЕ РНК
Макромолекула РНК, как правило, представляет
собой одну полинуклеотидную цепь, принимающую
различные пространственные формы, в том числе
и спиралеобразные.
Строение молекул РНК во многом
сходно со строением молекул ДНК.
Тем
не
менее
имеется
ряд
существенных
отличий.
В
состав
нуклеотидов
РНК
вместо
дезоксирибозы входит сахар рибоза.
Основание тимин замещено на урацил.
Главное отличие от ДНК состоит в том,
что РНК имеет лишь одну цепь. Из-за
этого химически РНК менее стабильна,
чем ДНК: вводных растворах РНК
быстрее подвергается расщеплению.
Поэтому РНК менее подходит для
долговременного
хранения
информации.

32. Первичная структура ДНК

O
H3C
N
O
O
P
N
O
CH2
OH
Т
O
O
O
H
H
H
N
H
O
O
H
P
H
O
N
CH2
OH
NH2
H
H
H
O
P
NH2
N
O
H
O
N
Г
H
N
N
H
O
CH2
OH
H
H
N
O
H
H
O
H
N
А

33. Первичная структура РНК

O
N
O
O
P
N
O
CH2
OH
O
O
O
H
H
H
N
H
O
O
У
H
P
OH
O
N
CH2
OH
NH2
H
H
H
O
P
Г
NH2
N
O
H
O
N
H
N
N
OH
O
CH2
OH
H
H
N
O
H
H
O
OH
N
А

34. Водородные связи между комплементарными основаниями в ДНК

H
N
O
N
R
. . .H
N H
...
N
N
N
N H
...
N
O
R
H
H
O.
N
N
R
. .H
N H
...
N
N
N
N H
...
N
N
R
N
O
H
N H.
N
..O
. . .H
Ц
N
N
N
O
R
H
Г
CH3
А
Т
R

35. Вторичная структура

Вторичная структура ДНК – двойная
правая спираль (Уотсон, Крик, 1953)
Две цепи антипараллельны друг другу.
Цепи связаны водородными связями по
принципу комплементарности.
5’
3’
А Г Г Т Ц Т А Т Г А Ц Т Т Г Ц Т А Ц
Т Ц Ц А Г А Т А Ц Т Г А А Ц Г А Т Г
3’
5’

36.

АТФ
При окислении белков, углеводов и жиров, поступающих в
организм с пищей, выделяется энергия, которая аккумулируется
в АТФ,
т.
е.
накапливается
в процессе превращения
аденозинмонофосфорной
кислоты
(АМФ)
и
аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) в АТФ: За счет обратной
реакции (гидролиза АТФ)
АТФ + Н2О
АДФ + Н3РО4 +40 кДж/моль
запасенная в макроэргических связях энергия выделяется и
используется
живыми
организмами
на
энергетические
процессы: сокращение мышц, биосинтез белка, поддержание
температуры тела у теплокровных животных и т. д. Таким
образом, АТФ играет центральную роль в энергетическом
обмене клетки.
АТФ – достаточно стабильное соединение, он способен
перемещаться по всей клетке, «храня в себе» запас энергии. В
том месте, где она необходима, АТФ расщепляется и выделяет
«порцию» энергии. Образуется АТФ преимущественно в
митохондриях. АТФ является универсальным переносчиком
энергии. Все живые организмы Земли используют его.
Существуют и другие макроэргические связи и другие
макроэрги, но только АТФ является «всеобщей энергетической
валютой», которую «признают» все химические процессы.