Нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

К нуклеиновым кислотам относятся высокомолекулярные соединения, распадающиеся при гидролизе на нуклеотиды, молекулы которых построены из пуриновых или пиримидиновых оснований, пентозы и фосфорной кислоты. Характерно, что они содержат фосфора 8-10%.

Обратите внимание на типы нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) и их роль в живом организме. Разберите строение нуклеозидов, нуклеотидов и способы включения нуклеотидов в полинуклеотид (нуклеиновую кислоту). Роль ДНК как носителя наследственной информации в живой клетке. Типы РНК и их функции в биосинтезе белков.

Нуклеотиды имеют в своем составе три компонента: азотистое основание, пентозу (рибозу или дезоксирибозу) и фосфатную группу.

 

- пуриновое или пиримидиновое основание

 

 

РНК

ДНК

 

Пиримидин Пурин

 

 

ПУРИНЫ

 

Аденин (ДНК,РНК) Гуанин (ДНК,РНК)

 

ПИРИМИДИНЫ

 

 

Тимин (ДНК) Цитозин (ДНК, РНК) Урацил (РНК)

 

Нуклеотид	Символы
Дезоксиаденилат	A, dA, dAMP
Дезоксигуанилат	G, dG, dGMP
Дезокситимидилат	T, dT, dTMP
Дезоксицитидилат	C, dC, dCMP
Аденилат	A, AMP
Гуанилат	G, GMP
Уридилат	U, UMP
Цитидилат	C, CMP

В ДНК И РНК нуклеиновые единицы соединяются друг с другом посредством фосфодиэфирной связи, в образовании этой связи участвуют ОН группа у С-5 атома одного остатка и ОН группа у С-З атома другого остатка.

 

 

ДНК РНК

 

Двухцепочечная ДНК

 

Исследуя состав ДНК, известный ученый Чаргафф пришел к следующим заключениям (правила Чаргаффа):

 

1. Состав азотистых оснований в ДНК варьирует от одного вида растений и животных к другому.

2. Образцы ДНК, выделенные из органов и тканей одного вида растения или животного, имеют одинаковый состав азотистых оснований.

3. Состав оснований в ДНК данного вида не изменяется с его возрастом, условиями питания, не зависит от изменений в окружающей среде.

4. Во всех ДНК независимо от вида число остатков аденина равно числу остатков тимина (А=Т), число остатков гуанина равно числу остатков цитозина (G=C). Сумма пуриновых остатков равна сумме пиримидиновых остатков (A+G=T+C).

 

ДНК по данным рентгеноструктурного анализа представляет собой двойную спираль, две цепи в спирали антипараллельны, цепи комплиментарны друг другу. ДНК - это довольно гибкая макромолекула, в пространстве реализуются три ее формы: А, В и z.

Нуклеотиды, помимо того, что являются структурными единицами ДНК и РНК, выполняют в организме и другие функции. Исключительно важна их роль в обмене веществ и энергии, они входят в состав кофакторов ферментов. Наиболее распространенным нуклеотидом является АТФ, в скелетных мышцах теплокровных животных содержание АТФ достигает 0,4%.

 

 

 

АДФ

АТФ

 

 

Вопросы для самоконтроля

1. Структура нуклеотидов.

2. Структура нуклеозидов.

3. Пары оснований в ДНК и РНК.

4. Какое количество ДНК содержит тело человека?

5. Структура нуклеиновых кислот.

6. ДНК идентификация.

7. Строение адениловой кислоты (аденозинмонофосфата (АМФ)), аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинтрифосфата (АТФ).

8. Биологическая роль нуклеиновых кислот.

 

Ферменты.

Данный раздел является одним из центральных в курсе биохимии. Ферменты - это биокатализаторы белковой природы, ускоряющие течение реакций в организме.

Роль ферментов в жизнедеятельности живого организма очень велика: являясь катализаторами, эти вещества обеспечивают быстрое протекание в организме огромного числа химических реакций. Эти реакции складываются в организме в единый процесс и составляют материальную основу обмена веществ. По сравнению с другими "небиологическими" катализаторами, ферменты обладают рядом особенностей: специфичностью действия, термолабильностью, действием при определенных значениях рН.

В вопросе о строении ферментов необходимо ясно усвоить, что ферменты могут быть протеинами (простыми белками) и протеидами (сложными белками). В последнем случае в составе ферментов присутствует простетическая группа небелковой природы. При этом необходимо отметить, что каталитической активностью в ферменте-протеиде обладает только комплекс белка и простетической группы.

Изучите кинетику ферментативного катализа. Образование фермент-субстратного комплекса на первой стадии катализа и затем на второй стадии - изменение, которое претерпевает субстрат под действием присоединившегося к нему фермента. На третьей стадии происходит сама химическая реакция на поверхности фермента, после чего образовавшиеся продукты реакции освобождаются из фермент-субстратного комплекса. Приведите примеры ферментативного катализа, идущие по указанной схеме.

Инженеру-технологу необходимо знать, что биохимические процессы, регулируемые ферментами, постоянно протекают в растительном сырье при его хранении. Особое внимание обратите на вопрос классификации ферментов по типу важнейших биохимических процессов, лежащих в основе жизнедеятельности организма.

Познакомьтесь со всеми классами ферментов (их шесть), важнейшими подклассами и под подклассами.

 

Ферменты есть катализаторы реакций в биологических системах. Они обладают чрезвычайно высокой каталитической активностью, они имеют высокую специфичность к своим субстратам, они ускоряют строго определенные химические реакции, они функционируют в водных растворах в мягких условиях температуры и рН. Ферменты - это один из ключей понимания функционирования и размножения клеток. Действуя в организованных последовательностях, они катализируют последовательно сотни реакций по пути метаболизма, при этом молекулы питательных веществ деградируют, накапливается химическая энергия, она трансформируется в другие формы, из простых молекул синтезируются биологические макромолекулы. Некоторые из этого множества ферментов, принимающих участие в метаболизме, служат регуляторными ферментами, которые дают ответ на различные сигналы метаболизма, изменяя соответственно свою каталитическую активность. Благодаря действию регуляторных ферментов, энзиматические системы высоко скоординированы и приводят к гармоничному взаимодействию множества метаболических процессов, необходимых для поддержания Жизни. Изучение ферментов также имеет исключительную практическую значимость. Некоторые заболевания, особенно наследственные генетические расстройства, приводят к дефициту или полному отсутствию одного или нескольких ферментов в органах и тканях. Неестественные условия функционирования также могут вызвать исключительную активность какого-то специфичного фермента. Измерения активности определенных ферментов в плазме крови, эритроцитах, в образцах тканей позволяют диагностировать заболевания. Ферменты стали важными инструментами не только в медицине, но и в химической промышленности, при производстве продуктов питания, в сельском хозяйстве. Мы сталкиваемся с ферментами в каждодневной жизни, будь то приготовление пищи, чистка одежды, уборка помещения.

История биохимии в значительной части связана с историей изучения ферментов. Биологический катализ был открыт в начале 18 века. В 1850г. Луи Пастер пришел к заключению, что превращение сахара в спирт под действием дрожжей катализируется ферментами. Он постулировал, что эти ферменты, названные позже энзимами, неотделимы от структуры дрожжевых клеток, эта точка зрения превалировала в научном мире в течение многих лет. В 1897г. Эдвард Бюхнер открыл способность дрожжевых экстрактов преобразовывать сахар в спирт, т.е. ферменты без потери активности могут быть отделены от живых клеток. С этого момента биохимиками выделены и очищены многие тысячи различных ферментов, исследованы их каталитические свойства.

Большинство ферментов, за исключением небольшой группы молекул каталитических РНК, представляют собой белки. Их каталитическая активность зависит от целостности их нативной структуры. Если фермент денатурирует или диссоциирует на субъединицы, каталитическая активность теряется. Разрушение фермента до аминокислот, также сопровождается потерей каталитической активности. Таким образом первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых ферментов существенны для их каталитической активности.

Ферменты имеют молекулярные массы в диапазоне от 12 тысяч до 1 миллиона Дальтон. Некоторые ферменты для проявления своей активности не требуют иных химических групп, представленных аминокислотными остатками. Другие требуют дополнительный химический компонент, называемый кофактором. Кофакторами могут выступать один или более неорганических ионов, таких как Fe⁺², Mg⁺², Mn⁺², Zn⁺², или комплексная органическая или металлорганическая молекула, называемая коферментом. Некоторые ферменты требуют для проявления активности наряду с коферментом одного или более ионов металла. Кофермент или ион металла ковалентносвязанные с белковой молекулой фермента, называется простетической группой. Полностью каталитически активный фермент совместно с коферментом и/или ионами металла называется холоферментом. Белковая часть такого фермента носит название апофермента или апопротеина. Коферменты функционируют как непрерывные переносчики определенных функциональных групп.

Многие витамины, органические продукты питания, требуемые в малых количествах в диете, являются предшественниками коферментов.

Ферменты классифицируются в соответствии с реакциями, которые они катализируют. Их называют путем добавления суффикса " аза " к названию их субстрата или слову или фразе, описывающих их активность. Так, уреаза катализирует гидролиз мочевины, а ДНК-полимераза катализирует синтез ДНК. Есть ферменты, такие как пепсин и трипсин, которые в названиях не отражают своих субстратов. Некоторые ферменты имеют два и более наименования. Поэтому существует международное соглашение по классификации ферментов.

Каждый фермент имеет четырех цифровой классификационный номер и систематическое название, которое идентифицирует катализируемую реакцию.