Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты

1. Ставропольский государственный медицинский университет Кафедра общей и биологической химии

Гетероциклические соединения.
Нуклеиновые кислоты
NH2
N
O
O
O
N
HO P O P O P O CH2
O
OH
OH OH
H
H
H
H
OH OH
N
N

2. ЦЕЛЬ ЛЕКЦИИ:

формирование знаний строения, химических
свойств нуклеиновых кислот и их мономерных
единиц-нуклеотидов как химической основы
организации макромолекул нуклеиновых кислот
и действия нуклеотидных коферментов

3.

ПЛАН ЛЕКЦИИ:
1. Нуклеиновые основания – производные пурина и
пиримидина.
2. Строение нуклеозидов и мононуклеотидов.
3. Нуклеиновые кислоты: рибонуклеиновая (РНК)
и дезоксирибонуклеиновая (ДНК) кислоты.
4. Механизм передачи генетической информации.

4. Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus- ядро)-

Нуклеиновые кислоты
(от лат. nucleus- ядро)это высокомолекулярные органические соединения,
природные биополимеры, которые состоят из
огромного количества нуклеотидов и выполняющие
важнейшие функции по хранению, передаче и
механизмах реализации генетической информации в
процессе синтеза клеточных белков.
Mr от 25 тыс. до 1 млн. и более

5.

6.

Белозерский Андрей
Николаевич.
(1905-1972), советский биохимик,
академик АН СССР (1962)

7. Розалинда Франклин. Получила вместе с М. Уилкинсом высококачественные рентгенограммы ДНК

8.

9.

Лауреаты Нобелевской премии 1962 года.
Слева-направо: Maurice Wilkins, Dr. Max Perutz,
Francis Crick, John Steinbeck,
James Watson, Dr. John Kendrew

10.

НУКЛЕОПРОТЕИНЫ (НУКЛЕОПРОТЕИДЫ)
(сложные белки)
нуклеиновые кислоты
(простетическая группа)
простые белки
(протамины, гистоны)
ОЛИГОНУКЛЕОТИДЫ
мононуклеотиды
нуклеозиды + H PO
3
4

11.

НУКЛЕОЗИДЫ
азотистые основания
(нуклеиновые основания)
моносахариды
D -рибоза
пиримидиновые
пуриновые
(цитозин, урацил, тимин)
(аденин, гуанин)
2-D -дезоксирибоза

12.

АЗОТИСТЫЕ НУКЛЕИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ
ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ
N3 4
2
OH
5
6
1
N
Пиримидин
NH2
N
HO
N
N
HO
N
Цитозин (4-амино-2-гидроксипиримидин)
Урацил (2,4-дигидроксипиримидин)
Ura
Cyt
OH
CH3
N
HO
N
Тимин (5-метилурацил) или 2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин
Thy

13.

ПУРИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ
Ядро пириЯдро имидазола
мидина
N1
N
6
7
5
8
2
3
4
9
N
N
H
Пурин
NH2
N
N
N
N
H
Аденин (6-аминопурин)
Ade
OH
H
N
N
N
N
H2N
Гуанин (2-амино-6-гидроксипурин)
Gua

14.

Лактим-лактамная таутомерия
азотистых оснований
Вид таутомерии, характерный для азотсодержащих гетероциклов с
фрагментом N=C—ОН
N
..
О
Н
лактимная форма
N
О
Н
лактамная форма
Взаимопревращение таутомерных форм связано с переносом протона от
гидроксильной группы, напоминающей фенольную ОН-группу, к
основному центру — пиридиновому атому азота и наоборот. Обычно
лактамная форма в равновесии преобладает

15. Лактим-лактамная таутомерия пиримидиновых оснований

2,4-диоксопиримидин
3 ..
4
3
2
6
1
.. 1
..
3
2
4
5
6
.. 1
4
4
5
2
4-амино-2-оксопиримидин
5
3
5
3
6
2
6
2
4
1
5
6
.. 1
3 4
5
2
6
1
2,4-диоксо-5- метилпиримидин

16. Лактим- лактамная и прототропная таутомерия гуанина

..
5
7
6
1
5
8
2
9
9
2
4
4
3
7
3
..
1
..
6
6
1
7
5
8
2
4
3
9
8
..
2-амино-6-оксопурин
Для аденина и гуанина возможна прототропная таутомерия за счет
миграции водорода между N-7 и N-9 в имидазольном кольце

17.

Минорные азотистые
основания (редко встречаемые)

18.

Обмен пуриновых оснований
NH2
OH
N
N
N
N
N
N
H
(HNO2)
Аденин
N
Ксантин
N
H
OH
N
N
N
H2N
N
H
OH
Гуанин
N
N
(HNO2)
HO
N
N
H
Гипоксантин
OH
N
N
HO
N
Мочевая
кислота
N
H
OH

19.

Обмен пиримидиновых
оснований
OH
N
HO
O
O
N
Урацил
H2N
C
+
NH2
Мочевина
(Карбамид)
H2C CH2 C
NH2
OH
Аланин

20. Пентозы в составе нуклеиновых кислот

Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
Н
а

21. Нуклеозиды

Нуклеозиды - N-гликозиды, образованные нуклеиновыми
основаниями и пентозой (рибозой или дезоксирибозой)
Рибонуклеозиды-содержат рибозу, дезоксирибонуклеозидыдезоксирибозу
O
H
N
O
Уридин
Урацил
O
H
N1
N
H
HO
CH2
H
H
OH
O
+OH
H 1’
H
OH
β -D-Рибофураноза
O
HO
CH2
N
1
O
+
H
H 1’
H
OH
OH
H
N-гликозидная
связь
H2O

22.

Пиримидиновые нуклеозиды.
Конформации нуклеозидов.
O
O
NH
N1
O
N-гликозидная
CH2OH
связь
O
1'
H
H
H
H
OH OH
CH3
HN
O
N1
CH2OH
O
1'
H
H
H
H
OH H
N-гликозидная
Уридин
Дезокситимидин
(анти-конформер)
(син-конформер)
связь

23. Пиримидиновые нуклеозиды. Конформации нуклеозидов.

NH2
NH2
N
N1
O
HO
CH2
H
H
N
N-гликозидная связь
O
H
OH
HO
CH2
1’
H
OH
Цитидин
(син -конформер)
N1
O
H
H
N-гликозидная
O
связь
H
1’
H
OH
H
Дезоксицитидин
(син-конформер)

24.

Пуриновые нуклеозиды.
Конформации нуклеозидов.
NH2
N
N9
HOH2C
O
H
H
1'
H
H
OH OH
Аденозин
(анти-конформер)
O
N
HN
N3
N-гликозидная
связь
N
N 3 N9
H2N
HOH2C
O
1'
H
H
H
H
OH H
Дезоксигуанозин
(син-конформер)
N-гликозидная
связь

25. Гидролиз нуклеозидов

NH2
N
N9
HO
CH2
H
H
NH2
N3
HO
O
1’
H
H
OH
N
OH
аденозин
H2O
CH2
H
H
OH
OH
N
O
H 1’
H
+
OH
β-D-рибофураноза
N
N
N
H
аденин

26.

Лекарственные препараты –
производные нуклеиновых
оснований и нуклеозидов
SH
O
F
N
N
H
N
N
O
H
5-фторурацил
O
CH3
HN
O
N
N
N
6-меркаптопурин
Противовирусное
средство – лечение
и профилактика
ВИЧ-инфекции
CH2OH
O
H
H
H
H
N3 H
азидотимидин
Цитостатические
(противоопухолевые) препараты
NH2
N
N
CH2OH
O
H
H
H
H
H
OH
N
кордицепин
N
Содержится в грибе
кордицепс, паразитирующем на
насекомых. Подавляет
неконтролируемый
рост и деление клеток

27.

Нуклеотидыэфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты
(нуклеозидфосфаты)
син- УМФ (уридин-5'-монофосфат)
5’-уридиловая кислота
O
HN
O
N1
5' O
HO P O CH2
O 1'
OH
H
H
H
H
N-гликозидная свя зь
сложно-эфирная свя зь
OH OH

28. Нуклеотиды

NH2
N
O
HO
P
CH2
OH
H
H
O
N3
HO
O
1’
H
H
OH
N
N
N9
O
O
OH
анти- АМФ (аденозин-5’-фосфат)
5’-адениловая кислота
P
N
N9
O
CH2
OH
H
H
N3
NH2
O
1’
H
H
OH
OH
анти –ГМФ (Гуанозин-5’-фосфат)
5’-гуаниловая кислота

29.

NH2
N
N
N
N
9
CH2OH
O
1' N-гликозидная свя зь
H3' H
H
H
O
OH
HO P OH
сложно-эфирная свя зь
O
O
анти- Аденозин-3'-монофосфат
3’-адениловая кислота
NH
O
5'
N1 O
HO P O CH2
O
OH
H
H
H 3'
H
N-гликозидная свя зь
O
H
сложно-эфирные свя зи
HO P OH
O
анти- Дезоксицитидин-3',5'-дифосфат

30. Дезоксирибонуклеотиды

Название как
монофосфатов
Название как кислот
Сокращение
Дезоксиаденозин-5’фосфат
5’-Дезоксиадениловая
кислота
Дезоксиаденозинмонофосфат
д-АМФ
Дезоксигуанозин-5’фосфат
5’-Дезоксигуаниловая
кислота
Дезоксигуанозинмнофосфат
д-ГМФ
Дезоксицитидин-5’фосфат
5’-Дезоксицитидиловая
кислота
Дезоксицитидинмонофосфат
д-ЦМФ
Тимидин-5’-фосфат
5’-Тимидиловая кислота
Тимидинмонофосфат
д-ТМФ

31. РИБОНУКЛЕОТИДЫ

Название как
монофосфатов
Название как кислот
Сокращение
Аденозин-5’-фосфат
5’-Адениловая кислота
аденозинмонофосфат
АМФ
Гуанозин-5’-фосфат
5’-Гуаниловая кислота
Гуанозинмонофосфат
ГМФ
Цитидин-5’-фосфат
5’-Цитидиловая кислота
Цитидинмонофосфат
ЦМФ
Уридин-5’-фосфат
5’-Уридиловая кислота
Уридинмонофосфат
УМФ

32. 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
β-D-рибофураноза
N
N
аденин
N
H2O
O
H
H
N

33.

Циклические нуклеотиды – это нуклеотиды, в которых фосфорная
кислота одновременно этерифицирует две гидроксильные группы
пентозного остатка.
NH2
N
N9
5'
O CH2
O
HO
P
O
H
3'
N
N
N
1'
H
OH
цАМФ
N9
5'
O CH2
O
H
H
O
H
H
O
HO
O
P
O
3'
NH
N
NH2
H 1'
H
OH
цГМФ
(циклическая адениловая кислота) (циклическая гуаниловая кислота)
Регуляторы внутриклеточных процессов.
ц-АМФ - вторичный посредник некоторых гормонов (глюкагона или
адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану.

34.

Нуклеотиды – биорегуляторы
НУКЛЕОЗИДПОЛИФОСФАТЫ
NH2
АТФ
N
O
O
O
N9
5'
HO P~O P O~P O CH2
O
OH
OH OH
H
H 1'
H
H
Ангидридные
свя зи
(макроэргические)
АТФ + Н2О
OH OH
АДФ + Н3РО4 +40 кДж/моль
N
N

35.

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.

36. Нуклеиновые кислоты-

Нуклеиновые кислотыприродные биополимеры (полинуклеотиды), образованные
остатками мононуклеотидов, связанных между собой 3’, 5’фосфодиэфирными связями и являющиеся носителями
генетической информации.

37. Известны два класса НК:

Рибонуклеиновые кислоты (РНК);
Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК)
РНК
β- рибоза
урацил
аденин, гуанин, цитозин
фосфаты
одноцепочечные молекулы
копируют генетическую
информацию ; переносят
ее к месту синтеза белка;
участвуют в синтезе белка
содержится в рибосомах,
протоплазме клеток
ДНК
β - дезоксирибоза
тимин
аденин, гуанин, цитозин
фосфаты
двухцепочечные молекулы
хранит и передает
наследственную информацию
содержится в ядре

38.

Первичная структура 5’-конец N
нуклеиновых кислот O CH N
5'
3',5'-фосфодиэфирные свя зи
N
А (аденин)
9
2
ДНК
NH2
O
H
H
H
3'
H
O
H
N
NH2
N
5'
1
O P O CH2
N
O
OH
H
H
H
H
3'
H
O
Ц (цитозин)
O
O
N
NH
9
N
5'
O P O CH2
O
OH
H
H
H
H
3'
O
H
N
NH2
O
H3C
5'
Г (гуанин)
1
O P O CH2
N
O
OH
H
H
H
H
3'
O
H
O P O
OH
N
O
Т (тимин)
3’-конец

39.

O
5’-конец
NH
5'
O CH2
H
H
3'
O
3',5'-фосфодиэфирные свя зи
1
O
N
H
H
OH
У (урацил)
O
NH2
N
5'
1
O P O CH2
N
O
OH
H
H
H
H
3'
OH
O
NH2
N
N
9
N
5'
Первичная
структура
РНК
Ц (цитозин)
O
O P O CH2
O
OH
H
H
H
H
3'
O
O P O
OH
N
OH
3’-конец
А (аденин)

40.

Вторичная
структура ДНК
H
O. . . H N
H3C
N H. . . N
N
к цепи
O
Тимин
N
N
Аденин
H
N H... O
N
к цепи
N
N
N. . . H N
O. . . H N
Цитозин
к цепи
N
H
N
к цепи
Гуанин
Модель Дж. Уотсона
и Ф. Крика 1953 г.
(форма В)

41. Вторичная структура ДНК

Двуспиральная, правозакрученная, фиксированная за счет
водородных связей между комплементарными
основаниями.
Нити ДНК представлены дезоксирибозо-фосфатным
каркасом.
Азотистые основания уложены стопкой внутрь двойной
спирали, сближены между собой и расположены
перпендикулярно оси симметрии двойной спирали;
пентозофосфатный остов-снаружи.
Параметры:
1)расстояние между нуклеотидами-0,34 нм
2) в одном витке спирали-10 нуклеотидов
3) диаметр молекулы-2 нм
4) шаг спирали-3,4 нм

42. Правила Чаргаффа

1.
2.
3.
Количество пуринов равно количеству пиримидинов:
А+Г=Т+Ц.
Количество аденина равно количеству тимина, а
гуанина — цитозину: А=Т, Г=Ц.
Количество оснований содержащих, аминогруппу в
положениях 4 пиримидинового и 6 пуринового ядер,
равно количеству оснований, содержащих в этих же
положениях оксогруппу: А+Ц=Г+Т.
Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются,
либо выполнятся с некоторым приближением, т.к. в
них содержится много других оснований.

43.

Плавление (денатурация) ДНКпроцесс разрушения двуспиральной структуры ДНК
(молекула переходит от спиральной формы к клубку)
Причины:
• повышении температуры
• изменение рН
• изменение ионного состава
Температура плавления-температура, при которой
денатурирует половина ДНК

44.

Ренатурация («отжиг») – восстановление структуры
двойной спирали. Процесс, обратный плавлению

45.

Другие виды структур ДНК
Интеркаля тор (лекарство)
Кольцевая
одноцепочечная
ДНК
Двукольцевая
ДНК
ДНК - плоская лента

46.

Третичная структура ДНК
( суперспирализация ДНК)
Комплекс гистоновых белков с ДНК "нуклеосома"- основная структурная
единица хроматина
Структура нуклеосом
Восемь
молекул
гистонов
(Н2А,
Н2В, НЗ, Н4)2 составляют ядро
нуклеосомы, вокруг которого ДНК
образует примерно 1,75 витка.

47.

Вторичная
структура РНК
РНК "шпилька"
клеверный лист
"Двушпилечная " РНК

48.

Третичная
структура РНК
беспорядочный
клубок

49. Биологическая роль НК ДНК :

Хранение генетической информации
Передача генетической информации
Реализация генетической информации
Изменение генетической информации
РНК:
• участвует в синтезе белка

50. Виды РНК:

1. информационные (матричные)- и-РНК (м-РНК):
служат в качестве матрицы в синтезе белков;
2. рибосомная (р-РНК)- в комплексе с белками
рибосом- органеллы, на которых происходит
синтез белка;
3. транспортная (трансферная)- т-РНК: перенос
аминокислот к месту синтеза белка

51.

52.

Редупликация (репликация) – синтез ДНК на молекуле ДНК (воспроизведение
себе подобной); участвует фермент ДНК-полимераза.
Транскрипция – синтез молекулы m-РНК комплементарной определенному
участку ДНК; участвует фермент РНК-полимераза.
Трансляция – биосинтез белка на рибосомах при участии m-РНК, несущей
информацию о последовательности включения соответствующих аминокислот,
т-РНК, подносящей аминокислоты, р-РНК, находящейся в рибосомах. Участвует
фермент транспептидаза.
Триплет – сочетание трех последовательно расположенных нуклеиновых
оснований – генетический код, несет информацию о включении определенной
аминокислоты.
Кодоноген – триплет на молекуле ДНК.
Кодон – триплет на молекуле m-РНК, комплементарный кодоногену.
Антикодон – триплет на молекуле т-РНК, комплементарный кодону.
Мутации – нарушения в структуре ДНК, вызванные химическими (канцерогены)
или физическими (радиация, ультрафиолетовые лучи) факторами

53. Выводы:

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Пять азотистых оснований урацил, тимин, цитозин, аденин,
гуанин входят в состав нуклеиновых кислот- ДНК и РНК.
Нуклеиновые кислоты-природные полинуклеотиды, которые
хранят наследственную информацию организма и на ее
основе управляют биосинтезом белка.
Нуклеотиды-мономерные единицы нуклеиновых кислот, в
основе-молекула углевода (рибоза или дезоксирибоза),
соединенная с остатками азотистого основания и фосфорной
кислоты.
Нуклеотиды связаны между собой фосфодиэфирными
связями.
Молекула ДНК состоит из двух комплементарных цепей,
соединенных в двойную спираль водородными связями
«аденин-тимин» и «гуанин –цитозин».
Генетическая информация содержится в последовательности
азотистых оснований в ДНК. Каждые три последовательных
основания кодируют одну аминокислоту.

54.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!