Дезоксиаденозин дезоксигуанозин

Нуклеотиды – это фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота присоединяется к 5’-атому углерода пентозы, образуя сложноэфирную связь.

Схема образования нуклеотида из нуклеозида цитидина и фосфорной кислоты.

Мононуклеотид имеет 2 названия:

1) как монофосфат нуклеозида: цитидин-5’-фосфат (CMP)

2) как кислота: 5’-цитидиловая кислота

Нуклеотиды являются достаточно сильными кислотами, при физиологических значениях pH фосфатная группа ионизирована.

Названия важнейших нуклеотидов, входящих в состав

нуклеиновых кислот

№ п/п	Название нуклеотидов	Сокращенное
Как фосфатов	Как кислот
РНК
	Аденозин-5’-фосфат	5’-Адениловая	АМP
	Гуанозин-5’-фосфат	5’-Гуаниловая	GMP
	Цитидин-5’-фосфат	5’-Цитидиловая	CMP
	Уридин-5’-фосфат	5’-Уридиловая	UMP
ДНК
	Дезоксиаденозин-5’-фосфат	5’-Дезоксиадениловая	dАМP
	Дезоксигуанозин-5’-фосфат	5’-Дезоксигуаниловая	dGMP
	Дезоксицитидин-5’-фосфат	5’-Дезоксицитидиловая	dCMP
	Тимидин-5’-фосфат	5’-Тимидиловая	dТMP

Нуклеотиды способны гидролизоваться. Гидролизу подвергаются как N-гликозидная, так и сложноэфирная связи. В зависимости от этого могут образовываться или нуклеозиды или компоненты нуклеотида.

РНК     ДНК

Мононуклеотиды – это не только компоненты нуклеиновых кислот, некоторые из них свободно находятся в организме. Особенно большое значение имеет адениловая кислота и ее фосфорнокислые производные, а именно, аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), выполняющие важную энергетическую функцию.

Строение АТФ

~ - макроэргические связи

АТФ относится к макроэргическим соединениям. Энергия заключена в химических связях между вторым и третьим остатками фосфорной кислоты. АТФ – источник энергии для многих биологических процессов: биосинтеза белка, ионного транспорта, сокращения мышц, электрической активности нервных клеток и др. Энергия, необходимая для этих процессов, обеспечивается гидролизом АТФ:

1) АТФ + H₂O = АДФ + Ф_н

При разрыве макроэргической связи концевого остатка фосфорной кислоты выделяется свободная энергия в количестве 25-40 кДж/моль при стандартных условиях. Точное значение энергии зависит от pH среды, присутствия некоторых катионов и других факторов.

2) АДФ + H₂O = АМФ + Ф_н, ΔG= - 30 кДж/моль

3) АМФ + H₂O = Аденозин + Ф_н, ΔG= - 14 кДж/моль

Вместе с тем в организме идут процессы синтеза АТФ. Эти процессы сопровождаются поглощением энергии, выделяющейся при биохимическом окислении белков, жиров и углеводов. Эта энергия запасается в макроэргических связях АТФ.

Структура нуклеиновых кислот

Структура ДНК

Структура ДНК расшифрована Д.Д. Уотсоном и Ф.Х.К. Криком в 1953 г. ДНК включает несколько уровней структурной организации.

Первичная структура – последовательность нуклеотидных звеньев, соединенных с помощью (3’-5’)-фосфодиэфирных связей.

Например, соединим 5’-Дезоксиадениловую и 5’-Дезоксицитидиловую кислоты:

Полинуклеотидная цепь включает в себя сотни мононуклеотидов, соединенных фосфодиэфирными связями.

Вторичная структура ДНК – это пространственное расположение полинуклеотидных цепей в молекуле. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных с образованием двойной спирали. Двойная спираль стабилизируется за счет водородных связей, образующихся между парами комплементарных азотистых оснований.

Комплементарные структуры подходят друг к другу как «ключ к замку».

Между аденином и тимином возникают две водородные связи:

Между гуанином и цитозином – три водородные связи:

Таким образом, первичная структура одной полинуклеотидной цепи предопределяет структуру второй цепи.

Третичная структура ДНК представляет собой многократную спирализацию вторичной структуры, обеспечивая плотную упаковку ДНК в ядре клетки.

Виды РНК:

РНК имеет в основном первичную структуру, которая сходна с первичной структурой ДНК, только у РНК углеводный компонент – рибоза и вместо азотистого основания тимина – урацил. Локализованы РНК в цитоплазме и рибосомах.

Первичная структура РНК:

В зависимости от функций, местонахождения и состава РНК делятся на три основных вида:

1) информационная или матричная РНК

2) рибосомальная РНК

3) транспортная РНК

Информационная РНК несет точную копию генетической информации, закодированной в определенном участке ДНК, а именно информацию о последовательности аминокислот в белках. Каждой α-аминокислоте соответствует в мРНК триплет нуклеотидов, т.н. кодон.

Например, аланин – ГЦУ, лизин – ЦУУ.

Последовательность кодонов в цепи мРНК определяет последовательность α-аминокислот в белках.

Рибосомальная РНК составляет большую часть клеточных РНК. Будучи ассоциирована со специфическими белками, она образует сложную структуру – рибосому. Рибосомы являются центром биосинтеза белков.

Транспортные РНК доставляют аминокислоты к месту синтеза белка. Транспортные РНК обладают вторичной структурой, напоминающей лист клевера. Это частично спирализованная одинарная полинуклеотидная цепь. Участки спирализации “шпильки” удерживаются за счет водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями (гуанин-цитозин, аденин-урацил). Участки, не вовлекаемые в образование водородных связей, образуют петли. Антикодоновая петля содержит триплет нуклеотидов – антикодон, который соответствует кодону матричной РНК.

Нуклеопротеины:

В организме нуклеиновые кислоты связаны с белками, образуя два вида нуклеопротеинов – рибонуклеопротеины и дезоксирибонуклеопротеины. Рибонуклеопротеины содержат рибонуклеиновые кислоты и находятся в основном в цитоплазме. Дезоксирибонуклеопротеины содержат ДНК и локализованы в ядрах клеток.

Контрольные вопросы

1. Нуклеиновые кислоты. Классификация.

2. Нуклеозиды (пуриновые и пиримидиновые), их образование, состав, строение, номенклатура. Гидролиз нуклеозидов.

3. Мононуклеотиды, их образование, состав, строение, номенклатура. Гидролиз нуклеотидов РНК и ДНК.

4. Уровни структурной организации ДНК (первичная, вторичная, третичная структуры). Фосфодиэфирные связи, комплементарность нуклеиновых оснований. Биологическая роль ДНК.

5. Виды РНК. Первичная структура, фосфодиэфирные связи. Вторичная структура транспортной РНК («клеверный лист»), комплементарность нуклеиновых оснований. Биологическая роль РНК.

6. Нуклеозидполифосфаты: АДФ, АТФ, их строение. Гидролиз АТФ. Биологическая роль АТФ и АДФ.

7. Нуклеотиды-коферменты (NAD⁺/NAD·Н).

Типовые задания

Задание 1. В виде каких таутомерных форм может существовать урацил? Какая таутомерная форма участвует в образовании уридина?

Решение.Урацил – дигидроксипроизводное пиримидина. Для него возможна лактим-лактамная таутомерия.

Атом водорода ОН-группы самопроизвольно мигрирует к атому азота, имеющему неподеленную пару электронов. При этом возникают различные таутомеры, то есть изомеры, находящиеся в динамическом равновесии.

Можно предположить, что имеющиеся в молекуле урацила две гидроксильные группы могут вступать в таутомерные превращения как одновременно, так и поочередно.

Сдвиг равновесия в сторону лактамной формы объясняется несколько большей стабильностью этого таутомера, так как атом азота проявляет большую основность, то есть имеет большее сродство к протону, чем атом кислорода.

Уридин – нуклеозид пиримидинового ряда, по химической природе представляющий собой N-гликозид. В качестве углеводного компонента уридин включает D-рибозу, а в роли азотистого основания выступает урацил. D-рибоза (как и D-дезоксирибоза) входит в состав нуклеозидов в фуранозной форме с β-конфигурацией аномерного атома углерода.

Задание 2. Составьте формулы нуклеозидов:

1) 2¢-дезоксиаденозин;

Гуанозин.

Решение.

1) Данный нуклеозид состоит из 2-дезокси-b-D-рибофуранозы и аденина, связанных N-гликозидной связью:

2) Данный нуклеозид имеет в своем составе b-D-рибофуранозу и гуанин:

Задание 3. Составьте структурную формулу мононуклеотида, брутто-формула которого C₉H₁₄N₃O₈P, и назовите его.

Решение. Общая формула большинства мононуклеотидов имеет вид:

где X - H или OH, Y - азотистое основание.

Единственным гетероциклическим основанием, содержащим 3 атома азота, является цитозин - C₄H₅N₃O. Следовательно, на остатки пентозы и фосфорной кислоты приходится 7 атомов кислорода, из которых 3 входят в состав фосфатной группы (-H₂PO₃) и один участвует в образовании сложноэфирной связи между пентозой и остатком фосфорной кислоты.

Таким образом, оставшиеся 3 атома кислорода входят в состав пентозы и X = OH.

Формула мононуклеотида:

Название: цитидин-5¢-фосфат или 5¢-цитидиловая кислота.

Задание 4. Предложите способ, при помощи которого можно осуществить разложение РНК до гетероциклического основания, пентозы и фосфат-аниона.

Решение. В отличие от ДНК, РНК подвергается щелочному гидролизу с образованием сначала рибонуклеотидов, а затем рибонуклеозидов:

H2O/OH-

H2O/OH-

РНК рибонуклеотиды рибонуклеозиды + PO₄^3-

Дальнейшее разложение рибонуклеозидов с разрывом N-гликозидной связи протекает уже в кислой среде:

H2O/H+

Рибонуклеозиды гетероциклические основания + D-рибоза

Задание 5. На одной из стадий биосинтеза глюкозы осуществляется превращение яблочной кислоты в щавелевоуксусную с участием кофермента NAD⁺. К какому типу относится эта реакция и какую роль выполняет в ней кофермент NAD⁺?

Решение.Превращение яблочной кислоты в щавелевоуксусную происходит в результате реакции окисления вторичноспиртовой группы в молекуле яблочной кислоты в карбонильную группу

.

Кофермент NAD⁺ (никотинамидадениндинуклеотид) принимает участие во многих окислительно-восстановительных реакциях в организме. При этом реакционным центром в его молекуле является положение 4 пиридиниевого ядра, соединенного N-гликозидной связью с D-рибозой. Положительно заряженный атом азота в цикле оказывает сильное электроноакцепторное влияние, благодаря чему повышается электрофильность атомов углерода в цикле, особенно С-4. Поэтому катион пиридиния способен взаимодействовать с таким сильным нуклеофилом, как гидрид-ион, с участием электрофильного атома С-4. Подобное взаимодействие приводит к восстановлению пиридиниевого фрагмента, протекающего с нарушением ароматичности пиридиниевого ядра, следствием чего является повышение энергии восстановленной формы NAD·Н по сравнению с NAD⁺. Далее этот запас энергии может использоваться в различных биохимических процессах с обратным превращением NAD·Н в NAD⁺ и переносом электронов к субстрату.

При окислении яблочной кислоты в присутствии соответствующих ферментов происходит отщепление от субстрата двух атомов водорода (реакция дегидрирования). Один из них в виде гидрид-иона реагирует с катионом пиридиния, другой в виде протона остается в окружающей среде. Таким образом, в результате реакции происходит окисление яблочной кислоты и восстановление NAD⁺.

Тестовые задания для самоконтроля