ТЕМА XI. Нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные полимеры. Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность сохранения, воспроизведения и передачи по наследству генетической информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Стабильность структуры нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом.ДНК сохраняет наследственную информацию организма в виде последовательности дезоксирибонуклеотидов, различающихся азотистыми основаниями.

В ДНК в закодированном триплетным кодом виде записан состав всех возможных белков организма. Молекулы РНК переносят информацию от ДНК к местам клетки, где происходит синтез белка, а также выполняют ряд регуляторных функций.

Нуклеотиды разнообразны по составу, строению и функциям – входят в состав ДНК, РНК, ряда важных метаболитов, макроэргических соединений (АТФ), регулируют метаболические процессы.

Олигонуклеотиды применяются в научных исследованиях, перспективны в качестве лекарственных препаратов нового поколения (антисмысловые нуклеотиды), влияющих на экспрессию генов и биосинтез белков (генная терапия).

Целый ряд производных природных нуклеозидов и азотистых оснований нуклеиновых кислот применяется в качестве лекарств с противоопухолевым, противовирусным, противогрибковым и антибактериальным действием.

По теме занятия студент должен:

знать следующий материал:

- понятия «азотистые основания», их строение, свойства (ароматические свойства, лактим-лактамная таутомерия), биологическое значение, классификацию их на пиримидиновые и пуриновые;

- строение,состав, свойства, биологическое значение нуклеозидов и нуклеотидов;

- особенности строения двойной спирали ДНК;

- строение, биологическую роль, условия гидролиза макроэргического соединения АТФ;

- строение, свойства, путь образования in vivo, биологическое значение мочевой кислоты и ее солей – уратов;

- применение азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов, полинуклеотидов и их производных в медицине;

уметьсоставлять названия, узнавать и записывать структурные формулы азотистых оснований в лактамных и лактимных таутомерных формах, структурные формулы нуклеозидов и нуклеотидов (см. приложение к теме XIII); записать последовательность реакций превращения: аденин - гипоксантин, гуанин - ксантин, гипоксантин - ксантин - мочевая кислота; составлять структурные формулы таутомерных форм мочевой кислоты и ее солей;

владетьзнаниями значения изучения строения и свойств нуклеиновых кислот и их молекулярных компонентов (азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов) в решении задач медицины.

Вопросы для подготовки

1. История открытия, этапы исследования строения нуклеиновых кислот.

2. Классификация нуклеиновых кислот, отличия в строении и составе как следствие различных биологических функций.

3. Влияние рН среды на процесс гидролиза нуклеопротеинов и нуклеиновых кислот in vivo и in vitro. Состав продуктов гидролиза при разных величинах рН среды.

4. Азотистые основания нуклеиновых кислот

4.1. Азотистые основания – производные пиримидина: тимин (Т), цитозин (Ц), урацил (У) – строение, физико-химические свойства, лактим-лактамная таутомерия.

4.2. Азотистые основания – производные пурина: аденин (А), гуанин (Г) – строение, физико-химические свойства, лактим-лактомная таутомерия гуанина. Производные пурина – гипоксантин, ксантин, мочевая кислота, соли ураты. Их биологическое значение.

4.3. Какие таутомерные формы Г, Ц, Т, У присутствуют в составе ДНК и РНК in vivo в процессе выполнения ими биологических функций? Почему?

4.4. Лекарственные препараты – антиметаболиты азотистых оснований (меркаптопурин, фторурацил).

5. Нуклеозиды (производные У, Т, Ц, А, Г, гипоксантина, ксантина) – состав, строение, номенклатура, свойства (гидролиз).

6. Нуклеотиды – классификации, состав, строение, номенклатура, биологическое значение.

6.1. Моно, -ди, -трифосфатнуклеозиды (АМФ, АДФ, АТФ и их аналоги, содержащие У, Т, Ц, Г). Биологическая роль нуклеотидов. Условия гидролиза химических связей в нуклеотиде.

6.2. Макроэргические связи в нуклеозидтрифосфатах. Строение, свойства, функции и особая биологическая роль АТФ.

6.3. Строение, функции и биологическое значение нуклеотидных коферментов НАД⁺/ НАДH и НАДФ⁺/ НАДФH.

7. Строение нуклеиновых кислот. Правило Чаргаффа. Первичная структура РНК и ДНК. Вторичная структура ДНК – двойная спираль, комплементарные пары. Высшие структуры ДНК – образование нуклеопротеинов.

Задачи и упражнения

1. Запишите структурные формулы соединений в лактимной и лактамной формах, укажите нумерацию атомов, названия обеих форм в соответствии с принятой номенклатурой: урацил, тимин, цитозин, аденин , гуанин, мочевая кислота.

2. Запишите структурные формулы нуклеозидов: тимидин, тимидинрибозид, дезоксицитидин, уридин, аденозин, дезоксиаденозин.

3. Запишите структурные формулы нуклеотидов: 3’- адениловая кислота, 5’-аденозинмонофосфат.

4. Составьте структурную формулу макроэргического соединения АТФ и укажите макроэргические связи.

5. Укажите все типы химических связей в соединениях ЦМФ, УДФ, ГТФ. Составьте их структурные формулы.

6. Объясните механизм образования комплементарных пар (А-Т, Г-Ц) с участием водородных связей. Какую биологическую роль играют водородные связи в комплементарных парах?

7. Составьте структурную формулу тринуклеотида d(A-T-G). Фрагментом какой нуклеиновой кислоты может являться этот нуклеотид?

8. При гидролизе какого соединения in vivo образуются уридин и фосфорная кислота? В какой среде проводят гидролиз in vitro? В какой среде следует провести дальнейший гидролиз уридина?

Тесты

1. Нуклеотидные цепи в двойной спирали ДНК имеют:

а) параллельное расположение

б) антипараллельное расположение

в) возможно любое направление

г) последовательное расположение

д) нет верного ответа

2. Вставьте пропущенные слова (из соответствующего набора терминов): Природный нуклеозид – это химическое соединение, которое образовано посредством связей А и в состав которого входят вещества Б:

А. а) α-гликозидная б) β-гликозидная в) ангидридная

г) сложноэфирная д) простая эфирная

Б. а) азотистое основание и фосфорная кислота

б) азотистое основание и углевод гексоза

в) азотистое основание и углевод пентоза

г) фосфорная кислота и углевод

Пример ответа: А - ? Б - ?

3. Молекула АТФ является макроэргическим соединением за счет особого типа химических связей, которые следует назвать:

а) сложноэфирные б) фосфоангидридные в) гликозидные

г) пептидные д) ионные

4. Нуклеотиды легко гидролизуются и превращаются в нуклеозиды:

а) в щелочной среде б) в кислой среде

в) одинаково в кислой и щелочной

г) только в нейтральной среде

д) гидролиз невозможен вообще

5. Комплементарная пара аденин–тимин образована с помощью связей (указаны количество и тип):

а) две ионные б) три водородные в) три ионные

г) две водородные д) две ковалентные

6. В составе нуклеиновой кислоты РНК углеводы находятся в виде:

а) a-D-рибофуранозы б) a-D-рибопиранозы

в) b-D-рибофуранозы г) b-D-рибопиранозы

д) b-D-глюкофуранозы

7. Азотистые основания в цепи в двойной спирали ДНК располагаются относительно оси спирали:

а) внутри спирали, параллельно

б) внутри спирали, перпендикулярно

в) внутри спирали, под углом 45^о

г) вне спирали, перпендикулярно.

д) нет верного ответа

8. Общее направление фосфорноэфирных связей от начала к концу в полинуклеотидной цепи следует обозначить:

а) 5¢ ® 3¢ б) 3 ®¢ 5¢ в) 5¢ ® 2¢ г) 3¢ ® 2¢ д) 2¢ ® 5¢

9. Вставьте пропущенные слова (из соответствующего набора терминов): природный нуклеозидмонофосфат – это химическое соединение, которое образовано посредством связей А и в состав которого входят вещества Б:

А. а) α-гликозидной б) β-гликозидной

в) ангидридной и сложноэфирной г) сложноэфирной

д) β-гликозидной, сложноэфирной

Б. а) азотистое основание, фосфорная кислота

б) азотистое основание, углевод пентоза

в) фосфорная кислота, углевод гексоза

г) фосфорная кислота, азотистое основание, углевод пентоза

д) фосфорная кислота, азотистое основание, углевод гексоза

Пример ответа: А - ? Б - ?

10. Биологическая роль никотиновой кислоты:

а) входит в состав алкалоида никотина

б) из нее синтезируется мочевая кислота