Нуклеиновые основания, нуклеозиды, нуклеотиды.

Нуклеиновые кислоты – сложные высокомолекулярные соединения, играющие важнейшую роль в жизнедеятельности организмов. Нуклеиновые кислоты были открыты более 130 лет назад (в 1869-1870гг.) немецким ученым Ф.Мишером, однако наиболее интересные данные, касающиеся их строения, свойств и биологической роли, были получены лишь в 20 веке, когда в биохимии и биологии стали широко применяться новейшие физические и химические методы исследований. Благодаря этому было установлено, что самые важные процессы жизнедеятельности – синтез белков, явления роста и размножения, передача наследственных свойств – происходят при участии нуклеиновых кислот.

Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называются полинуклеотидами. Нуклеиновые кислоты – биополимеры, молекулярная масса которых во многих случаях превышает молекулярную массу белков и часто исчисляется сотнями и миллионами.

Нуклеотиды представляют собой трехкомпонентное образование, включающее гетероциклическое основание, углеводный остаток и фосфатную группу, чем отличаются от обычно неделимых мономерных звеньев других полимеров. Общий вид структуры полинуклеотидной цепи следующий:

Высокомолекулярный характер, лабильность и большая сложность строения создает огромные трудности при изучении нуклеиновых кислот. В последние годы, однако, в этом направлении достигнуты существенные успехи: выяснен общий тип строения нуклеиновых кислот, расшифровано строение некоторых наиболее просто построенных нуклеиновых кислот (так называемых транспортных РНК), осуществлены принципиальной важности синтезы.

Нуклеиновые кислоты можно расщепить до мононуклеотидов; последние гидролизуются на пиримидиновые или пуриновые основания, рибозу (и дезоксирибозу) и фосфорную кислоту:

Нуклеиновая кислота → Мононуклеотиды → Основание + Рибоза (или дезоксирибоза) + Н₃РО_4.

Нуклеиновые основания.Являются производными азотсодержа­щих гетероциклических соединений — пиримидина или пурина. Пиримидиновые основания, выделенные в составе полинуклеотидных цепей ДНК, представлены тимином и цитозином; в со­ставе РНК — урацилом и цитозином. Данные соединения обнару­живают способность к лактим-лактамной и амин-иминной таутомерии:

лактимная форма лактамная форма

Урацил

(2,4-диоксипиримидин)

Тимин

(2,4-диокси-5-метилпиримидин)

аминная форма иминная форма

Цитозин (4-амино-2-оксипиримидин)

Аденин и гуанин являются представителями пуриновых нукле­иновых оснований:

Гуанин (оксо-форма) Аденин (амино-форма)

(2-амино-6-оксопурин) (6-аминопурин)

Следует отметить, что пиримидиновые и пуриновые основания в составе полинуклеотидов представлены лактамной (оксо-) и иминной формами, что обуслов­лено возможностью образования водородных связей между остат­ками оснований в цепях нуклеиновых кислот: тимин – аденин и цитозин – гуанин в ДНК; урацил – аденин и цитозин – гуанин в РНК. В ходе изомерных превращений сохраняется ароматичность указанных структур, так как оксо- и иминная группировки входят в сопряженную систему цикла, что очень важно для обеспечения устойчивости азотистых оснований.

Углеводными компонентами мононуклеотидов обычно являются D-рибоза (в форме β-D-рибофуранозы) и β-D-2-дезоксирибоза, в редких случаях глюкоза. Таким образом, пентозы в состав нуклеотидов входят в виде фуранозной формы с β-конфигурацией аномерного атома углерода – С₁. На рисунках внизу приведены α-формы (ОН группы направлены вниз)

α,D - рибоза α,D - дезоксирибоза

Нуклеозиды. От нуклеотида можно отщепить фосфорную кислоту и получить нуклеозид, состоящий из пуринового или пиримидинового основания и пентозы. По своему химическому строению нуклеозиды являются гликозидами β-D-рибозы или дезоксирибозы. N-гликозидная связь образуется между аномерным атомом С₁ в углеводе и атомом азота нуклеинового основания: у пиримидиновых оснований это N₁ и у пуриновых – N₉. При этом всегда образуется β-гликозидная связь.

В зависимости от природы углеводного остатка (пентозы) различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.

В состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) входят следующие нуклеозиды:

Дезоксигуанозин Тимидин (Тимидилдезоксирибозид)

Дезоксицитидин Дезоксиаденозин

В состав рибонуклеиновых кислот (РНК) входят нуклеозиды, являющиеся N-гликозидами D-рибозы. Их структурные формулы представлены ниже:

Цитидин Уридин

Аденозин Гуанозин

Названия нуклеозидов производятся от тривиального названия соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов. Для нуклеозидов, содержаших дезоксирибозу вначале добавляют слово «дезокси-». Исключение их этого правила сделано для нуклеозидов тимина.

Компоненты нуклеозида	Нуклеозид	Индекс нуклеозида
Аденин + рибоза	Аденозин	А
Аденин + дезоксирибоза	Дезоксиаденозин	dA
Гуанин + рибоза	Гуанозин	Г
Гуанин + дезоксирибоза	Дезоксигуанозин	dГ
Цитозин + рибоза	Цитидин	С
Цитозин + дезоксирибоза	Дезоксицитидин	dС
Урацил + рибоза	Уридин	U
Урацил + дезоксирибоза	Дезоксиуридин	dU
Тимин + рибоза	Риботимидин	Т
Тимин + дезоксирибоза	Тимидин	dТ

Нуклеозиды чаще обозначаю сокращенно однобуквенным ин­дексом, но существует также система трехбуквенного индекса.

Нуклеозиды, являясь N-гликозидами, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой среде. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые — труднее.

Нуклеотиды. С химической точки зрения нуклеотиды являются фосфатами нуклеозидов, так как при образовании нуклеотида возникает сложноэфирная связь между фосфорной кислотой и гидроксильной группой в положении С₅ или С₃ пентозного остатка. В связи с наличием в молекуле остатка фосфорной кислоты нуклеотиды проявляют свойства двухоснов­ной кислоты с рК₁= 0,9 - 1,5 и рК₂ = 6 - 6,5; в физиологических условиях при рН≈7 находятся в полностью ионизированном состоянии. Обратите внимание на сложно-эфирные и гликозидные связи в структурах нуклеотидов, соединяющих их составные части.

Нуклеотиды могут содержать несколько остатков фосфорной кислоты за счет ангидридных связей. Примеры некоторых таких нуклеотидов представлены ниже:

http://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/physicon/chemtools/physicon.ahttp://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/chem3d.jar		http://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/physicon/chemtools/physicon.ahttp://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/chem3d.jar
		гуанозин-2!-дифосфат (ГДФ)

http://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/physicon/chemtools/physicon.ahttp://www.college.ru/chemistry/course/shell/xml/chem/chem3d.jar

дезоксигуанозин-3!-дифосфат (дГДФ)

В зависимости от строения углевода различают рибонуклеотиды (мономеры РНК) и дезоксирибонуклеотиды (мономерные звенья ДНК). В состав РНК входят: цитидинмонофосфат (ЦМФ), уридинмонофосфат (УМФ), аденозинмонофосфат (АМФ) и гуанозинмонофосфат (ГМФ). Нуклеотидный состав ДНК представлен дезоксицитидинмонофосфатом (дЦМФ), дезокситимидинмонофосфатом (дТМФ), дезоксиаденозинмонофосфатом (дАМФ) и дезоксигуанозинмонофосфатом (дГМФ). Схемы указанных нуклеотидов приведены ниже:

цитидинмонофосфат (ЦМФ) уридинмонофосфат (УМФ)

аденозинмонофосфат (АМФ) гуанозинмонофосфат (ГМФ)

дезоксицитидинмонофосфат (дЦМФ) дезокситимидинмонофосфат (дТМФ)

дезоксиаденозинмонофосфат (дАМФ) дезоксигуанозинмонофосфат (дГМФ)

Нуклеотиды обычно называют или как соответствующие кислоты (монозамещенные производные фосфорной кислоты), или как соли (монофосфаты) с указанием в обоих случаях положение фосфатного остатка:

Названия нуклеотидов:

как кислот	как солей
5'-Адениловая кислота	Аденозин-5'-фосфат
5'-Гуаниловая кислота	Гуанозин-5'-фосфат
5'-Цитидиловая кислота	Цитидин-5'-фосфат
5'-Уридиловая кислота	Уридин-5'-фосфат
5'-Тимидиловая кислота	Тимидин-5'-фосфат