Строение и функции нуклеиновых кислот

1.

2. Нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды) - это биополимеры, мономерными звеньями которых являются нуклеотиды.

3. Нуклеиновые основания

Пиримидиновые основания в составе полинуклеотидов представлены
лактамной формой, что обусловлено возможностью образования
водородных связей между остатками оснований в цепях нуклеиновых
кислот: тимин – аденин, цитозин – гуанин в ДНК; урацил – аденин и
цитозин – гуанин в РНК. Урацил входит только в состав РНК, тимин – ДНК.

4. Нуклеиновые основания

Аденин и гуанин являются представителями пуриновых нуклеиновых
оснований. Эти гетероциклические соединения способны к лактимлактамной таутомерии и таутомерии азолов.
ОН
6
5
1N
1
6
5
НN
О
Н
N7
1
N
3
Н2N
NН2
5
1N
N
3
4
Н2N
NН2
1
N
8
2
N
3
7
6
N9
H
Аденин.
Аминная форма
N
8
2
N9
4
6
5
N
N
3
4
N9
H
Гуанин.
Таутомерия
азолов
Гуанин.
Лактамная форма
Гуанин.
Лактимная форма
5
8
2
N9
4
7
6
НN
8
2
Н2N
О
Н
N7
Н
N
7
8
2
N
3
4
N9
Аденин.
Таутомерия азолов
Гетероциклы имеют ароматический характер и плоское строение.
Ароматичность гетероциклов является причиной их высокой
термодинамической стабильности.

5. Редкие (минорные) компоненты нуклеиновых кислот

В ДНК встречаются метилированные основания:
5-метилцитозин, 6-N- метиладенин и др.
В ДНК некоторых бактериофагов вместо цитозина
встречается 5- гидроксиметилцитозин и его
Гликозилированные производные:
-D-глюкопиранозил или - D-глюкопиранозил
В РНК редкие компоненты чаще всего
содержатся в тРНК.
Известны, например,
производные урацила:
3-метилурацил, 4-тиоурацил.

6. Нуклеозиды

Гетероциклические основания образуют N-гликозиды (нуклеозиды) с
D-рибозой или 2-дезокси-D-рибозой..
D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза в состав природных нуклеозидов
входят в - фуранозной форме. Гликозидная связь осуществляется
между аномерным атомом углерода С-1 рибозы (или дезоксирибозы) и
атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.
Названия нуклеозидов строятся как для гликозидов, например аденинрибофуранозид и т. п. Однако более употребительны названия,
производимые
от
тривиального
названия
соответствующего
нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и озин у пуриновых нуклеозидов.
цитидин: цитозин и рибоза;
дезоксицитидин: цитозин и дезоксирибоза;
аденозин: аденин и рибоза;
дезоксицитидин: аденин и дезоксирибоза и т.д.
Исключение составляет название тимидин (а не дезокситимидин), для
дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В редких случаях,
когда тимин встречается в РНК, нуклеозид называется риботимидином.

7. Структура нуклеозидов

O
NH2
НОН2С
O
N
О
5
НОН2С
Н Н
N
4
НН
3
ОН
9N
5
НОН2С
Н Н
ОН
N
4
N
3
ОН
5
НОН2С
Н Н
О
4
2
ОН
N
Аденозин (А)
6
5
2
8
5
НОН2С
О
4
НН
3
ОН
9N
1
НН
2
Н
Дезоксиаденозин
(dА)
НН
NН
7
4
3
N1
2
9N
ОН
Н
Дезоксицитидин
(dС)
6
5
4
1
NН
8
1
2
О
7
2
НН
3
Тимидин (dТ)
N1
1
НН
Н
O
N
О
4
2
3
6
5
8
О
НН
N
O
N
1
4
ОН
NH
О
2
NH2
NН2
7
5
НОН2С
Цитидин (С)
Уридин (U)
НОН2С
5
Н Н
ОН
ОН
O
1
3
2
ОН
О
Н Н
Н Н
3
N
4
1
4
Н3С
N
NH
5
O
2
N
3
NН2
1
Н Н
2
ОН
О
7
Гуанозин (G)
N
N
3
6
5
8
5
НОН2С
О
4
НН
3
ОН
9N
1
Н Н
2
Н
Дезоксигуанозин (dG)
4
1
NН
2
N
3
NН2

8.

В состав некоторых РНК входят необычные нуклеозиды.
Например, инозин, который можно рассматривать как продукт
дезаминирования аденозина, а также псевдоуридин,
который является не N-, а С-гликозидом, с чем связана
его высокая устойчивость к гидролизу.
Лекарственные средства нуклеиновой природы.
При лечении некоторых опухолевых заболеваний используют
синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов,
по строению похожие на естественные метаболиты
(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 на разных этапах синтез
нуклеиновых кислот в организме.
Нуклеозиды-антибиотики.
В клетках в свободном состоянии содержатся нуклеозиды, не являющиеся
компонентами нуклеиновых кислот. Они обладают антибиотической активностью
и приобретают все большее значение при лечении злокачественных образований.
Нуклеозиды-антибиотики отличаются от обычных нуклеозидов некоторыми
деталями строения либо углеводной части, либо гетероциклического основания.

9. Нуклеотиды

Нуклеотиды - фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно
этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5' или С-3' в остатке рибозы
или дезоксирибозы (атомы цикла азотистых оснований нумеруют
обычными цифрами, пентозного цикла – цифрами со штрихом).
Нуклеотиды рассматривают и как эфиры нуклеозидов (фосфаты) и 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 ионизированном состоянии.
Для нуклеотидов используют два вида названий. Одно включает
наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного
остатка (например, аденозин-3'-фосфат, ури-дин-5'-фосфат), другое
строится с добавлением суффикса -овая кислота к названию остатка
пиримидинового или пуринового оснований (например, 3'-адениловая
или 5'-уридиловая кислота). По отношению к свободным нуклеотидам
в биохимической литературе широко используются их названия как
монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде,
например AMФ (аденозинмонофосфат) для аденозин-5'-фосфата и т.д.

10. Структура некоторых нуклеотидов

O
NH2
Н3С
NH
ОН 5'
N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
НН
NH
O
ОН 5'
N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
НН
2'
3'
ОН
3'
ОН
ОН
Уридин-5'-фосфат (UМР)
5’-Уридиловая кислота
N
ОН 5'
N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
НН
O
2'
6
5
ОН 5'
9N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
НН
4
ОН
ОН
2'
ОН
Гуанозин-5'-фосфат (GМР)
5’-Гуаниловая кислота
N
1
NН
N
3
NН2
Н
Тимидин-5'-фосфат (ТМР)
5’-Тимидиловая кислота
NН2
7
2
2'
3'
О
8
ОН
NH
Цитозин-5'-фосфат (СМР)
5’-Цитидиловая кислота
7
3'
O
6
5
N1
8
ОН 5'
9N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н
Н
Н
Н
3'
ОН
4
2
N
3
2'
Н
Дезоксиаденозин-5'-фосфат
(dАМР)
5’-Дезоксиадениловая кислота
O

11.

Макроэргические связи — ковалентные связи, которые гидролизуются с выделением значительного
количества энергии: 30 кДж/моль и более.

12. Строение полинуклеотидов

Многообразие молекул ДНК и РНК
определяется
их
первичной
структурой – последовательностью
нуклеотидных остатков в составе
полимерной цепи. Связи в цепи
формируются за счет этерификации
группы ОН у атома С3 пентозы
одного
нуклеотида
фосфатным
остатком другого нуклеотида. Такую
связь называют фосфодиэфирной.
В составе молекулы ДНК выделено
значительно
большее
число
нуклеотидных остатков, чем в
молекуле РНК. Молекулярная масса
ДНК порядка 10 млн; ДНК в
условиях клетки нерастворима.
O
Н3С
NH
…О
5'
N
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
Н Н
O
N
2'
3'
Н
О
NН2
7
6
5
N1
8
9N
5'
2
4
N
3
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
Н Н
NH2
2'
3'
NH
Н
О
N
5'
O
O=P–ОСН2 О
1'
ОН 4'
Н Н
Н Н
3'
О…
2'
Н
Произвольный участок молекулы ДНК

13. Первичная структура нуклеиновых кислот

Первичная структура нуклеиновых кислот – нуклеотидный состав и
нуклеотидная
последовательность,
т.е.
порядок
чередования
нуклеотидных звеньев.
Устанавливают
нуклеотидный
состав,
исследуя
продукты
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.
Химический гидролиз ДНК почти не применяют из-за осложнения его
побочными процессами. Более предпочтителен ферментативный
гидролиз под действием нуклеаз. Обычно для этой цели используют
змеиный яд, в котором содержатся ферменты, расщепляющие
фосфодиэфирные связи. Такие ферменты проявляют специфичность по
отношению к разным типам нуклеиновых кислот.

14. Вторичная структура ДНК

Вторичная
структура
ДНК
–
это
пространственная
организация
полинуклеотидной цепи. Водородные связи образуются между аминогруппой
одного основания карбонильной группой другого, а также между амидным и
иминным атомами азота.
O
Н–N–H
Н–NН
7
6
Н3С
NH
N
H
O
5
1N
А-форма
N
N
8
2
N
3
О
4
N9
H
N
H
В-форма
1
7
6
5
НN
O НN
8
2
H
Z-форма
N
N
3
4
N9
H
В-форма

15.

Вторичная структура РНК
Молекула РНК построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки
цепи РНК образуют спирализованные петли – «шпильки», за счёт водородных
связей между комплементарными азотистыми основаниями.
Участки цепи РНК в таких спиральных
Структурах антипараллельны, но не всегда полностью
комплементарны, в них встречаются неспаренные
нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные
петли, не вписывающиеся в
двойную спираль. Наличие спирализованных
участков характерно для всех типов РНК.

16. Третичная структура ДНК

Третичная структура ДНК эукариот формируется путем взаимодействия
с ядерными белками и на определенном этапе клеточного цикла
приобретает форму хромосом.