Глава 4. Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

В основе терминов «нуклеотиды» и «нуклеиновые кислоты» лежит слово «нуклеос» – ядро. Объясняется это тем, что впервые нуклеиновые кислоты были выделены из ядра клеток. Нуклеиновые кислоты – огромные линейные полимеры, состоящие из нуклеотидов.

 

    Компоненты нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

 

Все нуклеотиды построены из отдельных блоков трёх видов – азотистого основания, углевода пентозы и остатка фосфорной кислоты.

 

 

                                                    

Что можно построить из отдельных компонентов?

 

Нуклеозид (N-гликозид азотистого основания и пентозы)
Нуклеотид (Фосфорный эфир нуклеозида)
Нуклеиновая кислота	нуклеотид Гетерополи— Связь – фосфодиэфирная

 

Строение и формулы составных частей нуклеиновых кислот

Азотистые основания.

Азотистые основания, входящие в состав нуклеотидов, делят на две группы по гетероциклическому кольцу – пуриновые и пиримидиновые.

Все азотистые основания могут находиться в двух таутомерных формах: лактимной (гидрокси) и лактамной (оксо). В состав нуклеотидов входит наиболее устойчивая лактамная форма, которая и приведена на рисунках 4-1 и 4-2.

Рис. 4-1. Пуриновые азотистые основания – аденин и гуанин

Рис. 4-2. Пиримидиновые азотистые основания – урацил, тимин и цитозин

 

Углевод-пентоза

 

Углеводный компонент нуклеотидов – пентоза, представлен двумя молекулами: β­D­рибозой и её производным 2 ´ -дезокси-β­D­рибозой. В дезоксирибозе в положении 2 ´ отсутствует атом кислорода.

Углеродные атомы в кольце пентозы нумеруют со штрихами. Это позволяет отличать номера атомов в гетероциклах пуринов и пиримидинов от номеров атомов углерода в кольце рибозы или дезоксирибозы.

3. Нуклеозиды – β­N-гликозиды азотистого основания и пентозы.

В нуклеозидах азотистое основание соединено с остатком рибозы (или дезоксирибозы) β­N­гликозидной связью. Связь образуется между атомом N-1 в пиримидиновом кольце или N-9 в пуриновом кольце и атомом С-1' в кольце пентозы (рис. 4-3 и 4-4).

Названия нуклеозидов: Пуриновые нуклеозиды называют, заменяя в названии азотистого основания окончание «–ин» на окончание «–озин». Следовательно, пуриновые нуклеозиды будут называться аден озин и гуан озин. Если в нуклеозид входит дезоксирибоза, а не рибоза, то это отображают в названии – дезоксиаденозин и дезоксигуанозин.

 

Рис. 4-3. Пиримидиновые нуклеозиды

 

Рис. 4-4. Пуриновые нуклеозиды

 

Пиримидиновые нуклеозиды называют, заменяя окончания в названии основания на «-идин». Следовательно, названия пиримидиновых нуклеозидов будут цит идин, тим идин и ур идин. Нуклеозиды с дезоксирибозой тоже называют дезоксицитидин и дезоксиуридин. Исключение – название тимидин для дезокситимидина, т.к. такой нуклеозид с рибозой в составе РНК практически не встречается.

Нуклеозиды легко гидролизуются в кислой среде и устойчивы к гидролизу в щелочной среде.

4. Нуклеотиды (монофосфаты) – сложные эфиры нуклеозида и фосфорной кислоты

 

Рис. 4-5. Строение нуклеотида

 

В нуклеозидах возможно фосфорилирование по С-2', С-3' и С-5' в кольце рибозы и по С-3' и С-5' в кольце дезоксирибозы. При гидролизе ДНК и РНК получают нуклеозид-5'- и нуклеозид-3'-фосфаты. В свободной форме в клетках встречаются нуклеозид-5'-фосфаты (рис. 4-5). В названиях нуклеотидов обычно указывают номер фосфорилированного атома углерода (аденозин-5'-монофосфат или аденозин-3'-монофосфат).

Для нуклеозид-5'-монофосфатов обычно используют следующие сокращённые названия:

                        аденозинмонофосфат – АМФ

                        гуанозинмонофосфат – ГМФ

                        цитидинмонофосфат – ЦМФ

                        уридинмонофосфат – УМФ

                        дезоксиаденозинмонофосфат – дАМФ

                        дезоксигуанозинмонофосфат – дГМФ

                        дезоксицитидинмонофосфат – дЦМФ

                        тимидинмонофосфат – дТМФ

Как фосфорные эфиры все нуклеотиды являются сильными кислотами и называются, соответственно, адениловой, гуаниловой, цитидиловой, уридиловой и тимидиловой кислотами.

 

5. Нуклеотиды-макроэрги (нуклеозидди- и трифосфаты) – основные источники энергии для живых клеток

Рис. 4-6. Формула нуклеозидтрифосфата – АТФ

 

К фосфатной группе любого нуклеозидмонофосфата может присоединяться остаток второй молекулы фосфорной кислоты, а к ней – третьей молекулы (рис. 4-6). Между остатками фосфорной кислоты образуется фосфоангидридная связь, которую обозначают волнистой чертой и называют макроэргической.

Макроэргическими называют связи, при гидролизе которых в физиологических условиях, выделяется больше 30 кДж/моль свободной энергии. Гидролиз сложноэфирной связи между углеродом рибозы и фосфорной кислотой освобождает значительно меньше (около 12 кДж/моль) энергии.

Молекулы с макроэргическими фосфоангидридными связями называют макроэргами и пользуются их сокращёнными названиями (АДФ-АТФ, ГДФ-ГТФ, УДФ-УТФ, ЦДФ-ЦТФ). В молекулах дифосфатов содержится одна макроэргическая связь, а в молекулах трифосфатов – две макроэргические связи.

Живые клетки используют энергию, освобождающуюся при гидролизе макроэргических связей, для поддержания своей жизнедеятельности.

 

6. Циклические нуклеотиды – нуклеотиды со специфическими функциями.

Кроме уже описанных нуклеотидов существует ещё один вид нуклеотидов, в которых остаток фосфорной кислоты соединён одновременно с двумя атомами углерода рибозы (рис. 4-7). Такие нуклеотиды называют циклическими и в их названиях указывают номера атомов углеродов, с которыми образованы сложноэфирные связи: 3',5'-АМФ или цАМФ, 3',5'-ГМФ или цГМФ.

Циклические нуклеотиды выполняют функции особых, специализированных регуляторов и образуются в живых клетках под действием специфических ферментов (нуклеотид-циклазы).

Рис. 4-7. Строение циклических нуклеотидов

 

7. Нуклеотиды особого состава – динуклеотиды-кофакторы

Кроме нуклеотидов, построенных на основе азотистых оснований, существуют особые нуклеотиды, в состав которых входят некоторые витамины. Такие нуклеотиды являются небелковой частью (кофакторы) некоторых сложных ферментов и обеспечивают протекание самых разных реакций в процессе обмена веществ живых клеток.

Очень распространенными в клетках кофакторами служат два нуклеотида – НАД и ФАД.

 

                                              Рис. 4-8. Строение НАД

 

Молекула НАД представляет собой динуклеотид – соединение двух нуклеотидов через остатки фосфорной кислоты (рис. 4-8). Один из нуклеотидов – АМФ, второй – нуклеотид, построенный на основе витамина РР (никотинамид).

Рис. 4-9. Строение ФАД

 

Молекула ФАД (рис. 4-9) состоит из АМФ и нуклеотида, производного витамина В₂ (рибофлавин), в котором вместо молекулы пентозы содержится многоатомный спирт рибитол.