Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

• План лекции:

– Состав, строение мономерных звеньев нуклеиновых кислот

– Таутомерные формы оснований. Минорные основания.

– Нуклеозиды и нуклеотиды. Их гидролиз.

– Строение и свойства РНК и ДНК. Вторичные структуры.

– Коферменты окисления и восстановления, АТФ их функции.

Функции РНК И ДНК

• Нуклеиновые кислоты играют большую роль в передаче наследственных признаков и управлении процессом биосинтеза белка. Швейцарским химиком Ф. Мишером (1869) выделены из ядер клеток вещества кислотного характера, которые позже были названы нуклеиновыми кислотами (НК). НК- ВМС с молекулярной массой от 25 тыс. до 1 млн. Они построены из нуклеотидов – трехкомпонентных образований. НК делятся на ДНК и РНК. ДНК хранит и передает наследственную информацию, которая заложена в ее структуре. ДНК способна репродуцироваться и служит матрицей при синтезе РНК. РНК бывает – тРНК, м-РНК, р-РНК. РНК передает информацию от ДНК, управляет синтезом белка в клетках.

Пуриновые и пиримидиновые основания

• Принцип построения нуклеиновых кислот был выявлен при изучении продуктов гидролиза. Конечными продуктами гидролиза нуклеиновых к-т являются: Пуриновые и пиримидиновые основания

Структурные единицы РНК и ДНК

Минорные основания

• Пуриновые и пиримидиновые основания в ДНК хранят и передают генетическую информацию, тогда как углеводные и фосфатные группы выполняют структурную роль.

Нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой, причем пуриновые нуклеозиды расщепляются легче, чем пиримидиновые. Причем основания расположены в анти- положении.

Нуклеотиды- фосфорилированные нуклеозиды н-р:

Гидролиз нуклеиновых кислот

Строение ДНК

• Химический гидролиз ДНК осложнен из-за побочных процессов, более предпочтительны ферментативный гидролиз под действием нуклеаз (змеиный яд).

• Понятие первичной структуры. НК – это нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность. Наиболее полно исследованы т-РНК, так как они имеют относительно низкую молекулярную массу.

• Вторичная структура ДНК установлена работами Дж. Уотсона и Ф.Крика, Уилкинса, Чаргаффа, Полинга. Согласно модели Уотсона-Крика ДНК состоит из 2-х спиралей (нуклеотидных цепей) диаметр 1,8-2 нм и анти параллельны. В одной расположены 5’ - 3’ фосфатные, в другой 3’ - 5’ фосфатные связи. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены и находятся внутри цепей.

• Наиболее изучена вторичная структура т-РНК. Вторичная структура т-РНК имеет 4 зоны со спаренными основаниями и три петли с не спаренными. Эта структура носит название структура «клеверного листа». На одной из петель имеется атикодон тринуклеотид, соответствующий определенной аминокислоте.

• Сверх спирализация макромолекулы т-РНК приводит к третичной структуре – пространственной конформации, имеющей неправильную т-образную форму.

• Между пуриновыми основаниями одной цепи и пиримидиновыми основаниями другой цепи возникают комплементарные пары. NH .....N и NH …O=C.

Закономерные комплементарные пары

• Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК – хранения и передачи наследственных признаков. Сохранность нуклеотидной последовательности является залогом безошибочной передачи генетической информации. Однако нуклеотидная последовательность в ДНК может быть изменена мутациями.

• Замена какой-либо пары оснований на другую является причина сдвига таутомерного равновесия. Например,

• Замена «нормальных» пар оснований передается при «переписывании» генетического кода с ДНК на РНК приводит в итоге к изменениям аминокислотной последовательности при синтезе белка.

• Другой причиной возникновения мутаций служит воздействие химических факторов.

• Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот, они участвуют в биохимических процессах, особенно важны они в роли коферментов, то есть веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявления ферментативной активности.

Нуклеозидполифосфаты. Во всех тканях организма в свободном состоянии содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны АМФ, АДФ,АТФ. Так же могутучаствуют в реакциях УТФ, ЦТФ и т.д.

• При рН ~ 7 фосфатные группы находятся почти полностью в ионизованном состоянии. При расщеплении 1-ой макроэргической связи выделяется 32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как поставщика энергии во всех живых клетках.

• С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс – перенос фосфатных групп( процесс фосфорилирования). Многочисленные реакции фосфорилирования можно разделить на 2 группы:

• образование сложноэфирных связей.

• образование ангидридных связей.

Образование сложных эфиров – типичная реакция в метаболизме углеводов ,н-р

Примером реакции активации аминокислот является реакция с АТФ

Активированная, таким образом, α-аминокислота взаимодействует с т-РНК.

• Никотинамиднуклеотиды. Наиболее важный представитель это группы соединений никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) или его фосфат НАДФН (кофермент дегидрогеназ), то есть являются участниками окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим, могут находится в окисленной и восстановленной формах.

Причем реакции с участием НАДН и НАДФН протекают стереоселективно, т.е с образованием одного из стереоизомеров. Н-р

Флавинадениндинуклеотид -кофермент окислительно-восстановительных процессов с переносом двух электронов,которая является активной формой витамина В_{2(рибофловина)}.

• Лекарственные средства НК-природы

• Нуклеотиды-антибиотики

• Кордицепин (выделен из грибницы) и азидотимидин

Сильными антивирусными и антигрибковыми свойствами обладает арабинозилцитозин, арабинозиладенин.

ОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ

План лекции

• Классификация липидов.

• Высшие жиры кислоты структурные единицы омыляемых липидов.

• Простые липиды

– воска

– жиры

– масла.

• Сложные липиды

– а) глицерофосфолипиды (кефалины, лецитины),

– б) сфинголипиды (церамиды, галантоцеребробразиды, ганглиозиды)

Омыляемые липиды

• липидам относят большую группу веществ растительного и животного К происхождения. Эти вещества весьма разнородны по составу. Общей характеристикой липидов является их отношение к растворителем – они не растворимы в воде и растворяются в органических растворителях (бензол, диэтиловый эфир). С помощью этих растворителей их выделяют из растительного и животного материала.

• Липиды делят на 2 группы по их отношению к гидролизу: омыляемые липиды и не омыляемые липиды. Омыляемые липиды гидролизуются в кислой и щелочной средах. При гидролизе в щелочной среде образуются соли высших карбоновых кислот (мыла), глицерин и другие компоненты.

• Простые липиды состоят из карбоновых кислот, глицерина или высших спиртов.

• При гидролизе сложных липидов образуются глицерин, сфингозин, карбоновые кислоты и другие вещества

• Не омыляемые липиды гидролизу не подвергаются.

• Высшие жирные кислоты. В состав омыляемых липидов входят различные карбоновые кислоты от С4 до С28, в основном монокарбоновые кислоты с неразветвленной цепью и чётным числом атомов углерода, что определяется особенностями биосинтеза. Наиболее распространены кислоты С16 и С18.

Биосинтез карбоновых кислот

• Насыщенные карбоновые кислоты твёрдые, воскообразные вещества, ненасыщенные – жидкие. Ненасыщенные кислоты существуют только в цис-форме.

• Из насыщенных кислот в омыляемых липидах наиболее распространены пальмитиновая и стеариновая. В некоторых жирах содержание пальмитиновой кислоты достигает 10 – 15 % от общего содержания кислот. Олеиновая кислота является самой распространённой в природных липидах – в некоторых жирах она составляет около половины от общей массы кислот. Человеческий организм способен синтезировать насыщенные, а такие ненасыщенные карбоновые кислоты. Однако линолевую, линоленовую и арахидоновую кислоты организм должен получать с пищей, в основном с растительными маслами. Эти кислоты называются незаменимыми. Они выполняют ряд важных функций, в частности являются предшественниками синтеза простагландинов, важнейших гормональных биорегуляторов.

• Из насыщенных кислот в омыляемых липидах наиболее распространены пальмитиновая и стеариновая. В некоторых жирах содержание пальмитиновой кислоты достигает 10 – 15 % от общего содержания кислот. Олеиновая кислота является самой распространённой в природных липидах – в некоторых жирах она составляет около половины от общей массы кислот. Человеческий организм способен синтезировать насыщенные, а также ненасыщенные карбоновые кислоты. Однако, линолиевую, линоленовую и арахидоновую кислоты организм должен получать с пищей, в основном с растительными маслами. Эти кислоты называются незаменимыми. Они выполняют ряд важных функций, в частности являются предшественниками синтеза простагландинов, важнейших гормональных биорегуляторов.

• Высшие жирные кислоты нерастворимы в Н2О. Так как их молекулы содержат большой неполярный углеводородный радикал. Эта часть молекулы кислоты является гидродробной, однако их соли гидролизуются в Н2О, обладают хорошей растворимостью, так как содержат высокополярный, анион.

• Высшие жирные кислоты обладают химическими свойствами карбоновых кислот, а ненасыщенные к тому же и свойствами алкенов (реакции присоединения, окислительного расщепления по двойной связи).

Важной характеристикой липидов является йодное число- количества J2 в г. которое способно присоединять 100 г жира

• Омыляемые липиды можно разделить на простые и сложные. Простые состоят только из спиртов и высших жирных кислот. Сложные- глицерофосфолипиды содержат также остатки Н3РО4 И ДРУГИХ СОЕДИНЕНИЙ.

• Гликолипиды – в молекуле 2-х атомного аминоспирта сфигозина, содержат моно- или олигосахариды. Сфинголипиды – в молекуле сфингозина содержат остаток Н3РО4, этерифицированных холином.

• В живых организмах омыляемые липиды выполняют несколько важных функций. В них запасается энергия, высвобождаемая при окислительном расщеплении. Другой функцией омыляемых липидов является защитная функция .Вместе с белками являются основными структурными элементами клеточных мембран.

• К простые липидам относятся воска, масла и жиры.

• Воска представляют собой сложные эфиры высших одноатомных спиртов и высших жирных кислот. Так пчелиный воск состоит в основном из цетилового эфира пальмитиновой кислоты и высших жирных кислот . Воска выполняют защитную функцию, покрывая поверхность кожи, меха, листьев и плодов. Используется в качестве основы кремов и мазей.

• Жиры и масла (растительные жиры) представляют собой эфиры глицерина и высших жирных кислот, то есть это триацилглицерины. Простые липиды триацилглицерины. Простые: триацилглицирины содержат остатки одинаковых кислот, а смешанные – остатки различных кислот. Твердые триацилглицерины содержат остатки насыщенных кислот, а жидкие – ненасыщенные карбоновые кислоты.

• Химические свойства. Гидролиз протекает как в кислой, так и щелочной средах (омыление) и представляет собой обычную реакцию гидролиза сложного эфира. Гидролиз протекает ступенчато и продуктами полного гидролиза, являются глицерин и смесь высших жирных кислот.

• Реакции окисления липидов и высших карбоновых кислот протекают с участием двойных связей и образуются низшие карбоновые кислоты, в частности масляная кислота (прогоркание жира). Окисление также происходит в клеточных мембранах с участием АФК.

• Бета – окисление. Окислению жиров предшествует гидролиз, а затем насыщенные карбоновые кислоты окисляются с расщеплением углеводородного скелета. При окислении жиров выделяется энергия 37,7 кДж/моль (сравнить энергетическую ценность липидов и белков).

• К сложным липидам также относятся липиды, имеющие в молекуле фосфор и азотсодержащие фрагменты и углеводные остатки.

• Фосфолипиды – производные L-фосфатидовой кислоты

• L-глицеро – 3 фосфаты.

• Бифильные молекулы фосфатидов составляют бифильный слой клеточной мембраны.

• Сфигомиелины,цереброзиды и ганглиозиды – производные 2-х атомного спирта сфингозина.

Не омыляемые липиды

• Производные изопрена- терпены и терпеноиды

Стероиды

Стерины