1. Классификация нуклеиновых кислот. Гетероциклические основания и углеводы, входящие в состав РНК и ДНК. Минорные азотистые основания.

История изучения нуклеиновых кислот начинается с выделения из ядер клеток вещества кислотного характера, названного нуклеином и получившего позже название нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, осуществляющие хранение и передачу генетической информации во всех живых организмах и принимающие  участие  в биосинтезе клеточных белков.  Они входят в состав нуклеопротеидов, содержащихся во всех клетках организма человека, растений, животных, бактерий и вирусов. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные органические соединения, молекулярная масса которых колеблется в пределах от 10⁴ до 10⁶ (РНК) до 10¹⁰-10¹¹ (ДНК).  Дезоксирибонуклеиновые кислоты содержаться только в ядрах клеток, а рибонуклеиновые кислоты - в протоплазме и таких органоидах, как рибосомы, митохондрии и др. Функции ДНК связаны с передачей  наследственных признаков, а функции РНК - с биосинтезом белков.

Мономерными единицами нуклеиновых кислот являются мононуклеотиды, всвязи с чем, нуклеиновые кислоты называют еще полинуклеотидами. Мононуклеотид состоит из азотистого основания связанного с углеводным остатком, этерифицированным фосфорной кислотой (схема 1).



Схема 1. Строение мононуклеодита.

Углеводными компонентами нуклеиновых кислот служат две пентозы: D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза. Отсюда нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеиновые, содержащие рибозу (РНК), и дезоксирибонуклеиновые, содержащие дезоксирибозу (ДНК). D- рибоза и 2-дезокси- D-рибоза в состав нуклеиновых кислот входят в β-фуранозной форме:



Также в состав нуклеиновых кислот входят  три гетероциклических основания с пиримидиновым циклом (пиримидиновые основания) и два - с пуриновым циклом (пуриновые основания):


Доказано, что в состав РНК входят аденин, гуанин, урацил, цитозин; в состав ДНК - аденин, гуанин, тимин и цитозин.

Для гуанина и всех пиримидиновых оснований, входящих в  состав нуклеиновых кислот  характерна лактам-лактимная таутомерия. Таутомерныепревращения можно представить на примере урацила:



Гетероциклические основания в составе нуклеиновых кислот находятся в термодинамически стабильной оксоформе (кетоформе).

Кроме вышеперечисленных азотистых оснований, в состав нуклеиновых кислот могут входить и другие гетероциклические основания. К таким редким (минорным) компонентам относятся, например: гипоксантин, гидрированные (дигидроурацил) производные и метилированные (5-метилцитозин, 6-N-метиладенин, 7-N-метилгуанин и др.) производные, например:



Метилированные основания выполняют защитную функцию, предохраняя молекулы нуклеиновых кислот от разрушения ферментами.

2. Нуклеозиды и нуклеотиды – структурные компоненты нуклеиновых кислот. Принцип построения цепей ДНК и РНК

2. 1. Строение нуклеозидов.

Нуклеозид - химическая структура, состоящая из пентозы  и азотистого основания, связанных N-гликозидной связью. Гликозидная связь осуществляется за счет полуацетального гидроксила моносахарида (С-1') и атома водорода при N-1 у пиримидиновых или N-9 у пуриновых основаниях (схемы 14.2, 14.3.).



Схема .2. Образование пиримидинового нуклеозида.

 

Схема 3. Образование пуринового нуклеозида.

Являясь N-гликозидами, нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но гидролизуются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются намного легче, чем пиримидиновые.

Названия нуклеозидов строятся от тривиального названия соответствущего  азотистого основания с суффиксом-озин у пуриновых и -идин у пиримидиновых нуклеозидов. Так как тимин не входит в состав РНК, образованный им дезоксинуклеозид  носит название тимидина (вместо дезокситимидина). Названия нуклеозидов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Номенклатура нуклеозидов

Азотистое основание	Пентоза	Нуклеозид
Гуанин	Рибоза	Гуанозин
Аденин	Рибоза	Аденозин
Цитозин	Рибоза	Цитидин
Урацил	Рибоза	Уридин
Гуанин	Дезоксирибоза	Дезоксигуанозин
Аденин	Дезоксирибоза	Дезоксиаденозин
Цитозин	Дезоксирибоза	Дезоксицитидин
Тимин	Дезоксирибоза	Тимидин

Из клеток растительных и животных тканей, а также микроорганизмов были выделены  нуклеозиды, которые не являются компонентами нуклеиновых кислот. Эти нуклеозиды обладают антибиотической активностью и проявляют противоопухолевую активность. Нуклеозиды-антибиотики имеют некоторые отличия от обычных нуклеозидов в строении либо углеводной части, либо гетероциклического основания ( например, 5-фторурацил), что позволяет им выступать в качестве антиметаболитов, чем и объясняется их активность.

2.2. Строение нуклеотидов.

Нуклеотид - структурная единица нуклеиновых кислот, состоящая из остатков нуклеозида и фосфорной кислоты, т.е., нуклеотид представляет собой сложный эфир ортофосфорной кислоты и нуклеозида.

Р ассмотрим строение и составные части нуклеотида на примере образования цитидинмонофосфата (схема 4.)


Схема 4. Образование цитидинмонофосфата.

В нуклеотидах гидроксильная группа у С-5' или С-3' моносахаридного остаткаэтерифицированна фосфорной кислотой. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используется сложноэфирная и N-гликозидная связи. Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты.В физиологических условиях (рН

7) нуклеотиды находятся в ионизированном состоянии.

---

В номенклатуре нуклеотидов используют два вида названий: одновключаетнаименованиенуклеозида с указаним положення в нем фосфатного остатка (например,цитидин-5^'-монофосфат), другоестроится с добавлениемсуффикса-овая кислота к названиюостаткапиримидинового (например, 5'-цитидиловая кислота) или пуринового (например, 5'-гуаниловая кислота) оснований. Положение остатка фосфорной кислоты определяется местом разрыва фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами.

Примеры некоторых названий нуклеотидов представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Номенклатура нуклеотидов

Названия нуклеотидов как монофосфатов	Названия нуклеотидов как кислот
Аденозин-5'-монофосфат (АМФ)	5'-адениловая кислота
Гуанозин-5'-монофосфат (ГМФ)	5'-гуаниловая кислота
Уридин-5'-монофосфат (УМФ)	5'-уридиловая кислота
Цитидин-5'-монофосфат (ЦМФ)	5'-цитидиловая кислота
Дезоксиаденозин-5'-монофосфат (дАМФ)	Дезоксиадениловая кислота
Дезоксигуанозин-5'-монофосфат (дГМФ)	Дезоксигуаниловая кислота
Дезоксицитидин-5'-монофосфат (дЦМФ)	Дезоксицитидиловая кислота
Тимидин-5'-монофосфат (ТМФ)	Тимидиловая кислота

В биохимической литературе используют названия нуклеотидов как фосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде (например, аденозин-5'-монофосфат - АМФ, аденозин-5'-дифосфат - АДФ, аденозин-5'-трифосфат - АТФ). Эти нуклеотиды способны взаимно превращаться  путем присоединения одного или двух остатков фосфорной кислоты (фосфорилирование) или отщепления одного или двух остатков фосфорной кислоты (дефосфорилирование) (схема 5).




Схема 5. Фосфорилирование нуклеотидов.

При дефосфорилировании выделяется большое количество энергии, необходимое организму для протекания тех или иных биологических процессов. Связь О − Р  между остатками ортофосфорной кислоты в молекулах нуклеозидполифосфатов носит название макроэргической связи. При  ее гидролизе выделяется значительное количество энергии. Поэтому АТФ во многих биохимических процессах выполняет роль аккумулятора энергии.

---

Мононуклеотиды, динуклеотиды и их производные присутствуют в клетках также в свободном виде и играют важную роль в обмене веществ. В частности нуклеотидную структуру имеют многие коферменты, включая коферменты оксидоредуктаз, никотинамиднуклеотидные коферменты  (НАД⁺, НАДФ⁺).

2.3. Принцип построения цепей ДНК  и РНК

Нуклеиновые кислоты - высокомолекулярные соединения, в которых отдельные мононуклеотидные остатки связаны между собой в полинуклеотидных цепях 3' - 5' фосфодиэфирными связями. Стандартная запись нуклеотидной последовательности  осуществляется в направлении от свободного 5' конца  к свободному 3' концу. На схеме 6. приведено образование произвольного участка цепи РНК, включающего три мононуклеотидных остатка:


Схема 6. Образование фрагмента цепи РНК.

РНК, как правило, построены из одной полинуклеотидной цепи. Принцип построения цепи ДНК такой же, как и у РНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в ДНК является 2-дезокси-Д-рибоза и в наборе азотистых оснований используется не тимин, а урацил.Схема 6. Образование фрагмента цепи РНК.

Каждая нить ДНК представляет собой полинуклеотид. Это длинная цепь, в которой в строго определенном порядке расположены нуклеотиды. Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити.Вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул. Молекулярная масса ДНК соответственно исключительно велика - она достигает десятков и даже сотен миллионов.

3. Уровни структурной организации РНК и ДНК: первичная, вторичная и третичная структуры. Комплементарность азотистых оснований. Виды клеточных РНК. Их месторасположение, состав, размер, функции. Виды мутаций.

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, имеют несколько уровней структурной организации.

Первичная структура представляет собой определенную последовательность нуклеотидных звеньев в полинуклеотидной цепи РНК и ДНК. Она стабилизируется при помощи 3'- углеродным атомом пентозы одного нуклеотида и 5'-углеродным атомом пентозы другого мононуклеотида (схема 7.)

Ф	Остаток ортофосфорной кислоты
П	Остаток пентозы (рибозы или дезоксирибозы)
А.О.	Остаток азотистого основания

---

Схема 7. Первичная структура нуклеиновых кислот.

Для установления первичной структуры удобными объектами исследования оказались молекулы РНК. Известны три типа РНК: транспортная РНК (тРНК), информационная или матричная РНК (иРНК) и рибосомальная РНК (рРНК).Информационные РНК выполняют функцию матрицы белкового синтеза в рибосомах. Рибосомальные РНК выполняют роль структурных компонентов рибосом. Транспортные РНК участвуют в транспортировке α-аминокислот из цитоплазмы в рибосомы и в переводе нуклеотидной последовательности  в  аминокислотную последовательность.  К настоящему времени удалось определить первичную структуру почти всех тРНК, ряда молекул рРНК, ряда вирусных РНК, в состав которых входят сотни и тысячи нуклеотидных остатков.Достигнуты большие успехи и в установлении первичной структуры ДНК.

Вторичная структура нуклеиновых кислот представляет собой пространственную ориентацию полинуклеотидных цепей в молекуле. Подавляющее большинство РНК живых существ характеризуются одноцепочным строением (рис.2). Однако у некоторых вирусов встречаются двухцепочечные молекулы РНК, выполняющие роль носителя генетической информации, Кроме того, двухцепочечные РНК образуются в процессе размножения тех вирусов, которые содержат  одноцепочечную РНК.

Рис.2.Вторичная структура РНК

Каждая молекула тРНК обладает постоянной вторичной структурой. Она имеет форму двумерного клеверного листа  и состоит из спиральных участков, образованных нуклеотидами одной и той же цепи, и

	расположенных между ними одноцепочечных петель. Каждая петля имеет свою функцию: например, одна является местом взаимодействия тРНК с рибосомами, другая служит  для связывания с аминокислотами, третья - с ферментам и т.д. На рисунке 2. показана структура тРНК. Менее охарактеризована вторичная структура матричных и рибосомных РНК.
Рис.3. Вторичная структура транспортной РНК.

---

Форма вторичной структуры молекулы ДНК - двойная спираль - изображена на рисунке 4. Впервые, в 1953 году, вторичную структуру ДНК в виде модели из двойной спирали описали  английский биохимик Фрэнсис Крик и американский биохимик Джеймс Уотсон.

Согласно модели Уотсона - Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали, имеющей диаметр 1,8 - 2,0 нм. Каждый виток спирали содержит 10 пар оснований и равен 3,4 нм. Две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направления образования фосфодиэфирных связей в них противоположны: в одной цепи 5' → 3', в другой цепи 3' → 5'.

Рис. 4.  Вторичная структура ДНК.

Пиримидиновые и пуриновые основания направлены внутрь спирали. Формированию вторичной структуры способствуют водородные связи, которые образуются за счет специфического взаимодействия аденинового остатка одной цепи и тиминового остатка другой цепи (АТ) или гуанинового остатка одной цепи и цитозинового остатка другой цепи (ГЦ). Таким образом, последовательность нуклеотидов в одной цепи молекулы ДНК предопределяет нуклеотидную последовательность другой цепи.


Основания, образующие пару, комплементарны друг другу, т.е. соответствуют друг другу по размерам и пространственной структуре, между 

	ними очень легко возникают водородные связи, которые являются основным условием стабильности биологической структуры. В комплементарной паре АТ имеется две водородные связи, а в  комплементарной паре ГЦ - три такие связи (рисунок 5). Комплементарность цепей составляет химическую основу
Рис.5.Участок двойной спирали ДНК

важнейшей функции ДНК - хранения и передачи наследственных признаков. Сохранность нуклеотидной первичной структуры является залогом безошибочной передачи генетической информации. Однако, под воздействием внешних факторов (мутагенов), нуклеотидная последовательность ДНК может быть нарушена и в организме возникают  явления,  называемые  мутациями (от лат. mutatio - изменение), т.е. происходят стойкие изменения наследственных признаков К мутагенам относится, например, действие ионизирующего излучения, а также ряда химических веществ ( гидроксиламинNH

---

Смотрите также файлы

• Контрольная работа по дисциплине Автоматизированные системы управления и информационное обеспечение возведения и эксплуатации зданий и сооружений на тему Автоматизированная система обработки информации и управления (асоиу).rtf

• Ответы Прямая линия, кривая линия, круг (овал), Прямоугольник, распылитель, заливка ( палитра), текст.ppt

• ШЖ Талдыоран жоары медициналы колледжі мкк тжірибелік сабаТЫ дістемелік деуі.docx

• Философия о глобальных проблемах современности.docx

• Ооо Яблочко открыло аккредитив на сумму 300 тысяч рублей, в том числе за счет собственных средств 220 тысяч рублей, за счет банкового кредита 80 тысяч рублей.doc