НУКЛЕОТИДОВ
Нуклеотиды – органические вещества, состоящие из гетероциклического азотистого основания, моносахарида (пентозы) и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания представлены в природных нуклеотидах двумя типами: пуриновые, например аденин (6-аминопурин − А), гуанин (2-амино,6-оксопурин − G), пиримидиновые, например цитозин (2-окси-4-аминопиримидин − C), тимин (5-метил-2,4-диоксопиримидин − Т) и урацил (2,4-диоксопиримидин − U).
Все оксопроизводные азотистых оснований могут существовать в лактимной (енольной) и лактамной (кетонной) форме. При физиологических значениях рН превалирует лактамная форма.
Кетонная форма Енольная форма
Азотистые основания поглощают в УФ области спектра с максимумом при 260 нм. Это свойство используется для количественного определения нуклеиновых кислот.
Пентозами в нуклеотидах являются рибоза или дезоксирибоза:
β-D-рибофураноза β-D-2-дезоксирибофураноза
Гетероциклические основания, связываясь с углеводным компонентом, образуют нуклеозид. Пентоза соединяется с азотистым основанием N-гликозидной связью, которая образуется между С1′-атомом пентозы и N1-атомом пиримидина или N9-атомом пурина. Методами периодатного окисления, спектрального и рентгеноструктурного анализов было доказано, что природные нуклеозиды имеют β-конформацию гликозидной связи.
β-N1-гликозидная связь β-N9-гликозидная связь
Название нуклеозидов составляют, исходя из названия азотистого основания, меняя окончание у пуринов на ‒ озин, у пиримидинов – на –дин. Например, если аденин присоединяется к рибозе, образуется нуклеозид аденозин; если урацил – уридин.
Все пять гетероциклических оснований имеют плоскую конформацию. В то же время для остатков рибозы и дезоксирибозы плоская конформация энергетически невыгодна. В природе реализуются только две конформации пентоз: либо С2′-эндо-, либо С3′-эндоконформация. При этом нуклеотидная единица с 3′-эндоконформацией углеводного остатка имеет меньшую длину, чем 2′-эндоизомер. В свободных нуклеотидах переходы от С2′-эндоконформации к С3′-эндоконформации и от синконформации − к антиконформации легки.
Важнейшей характеристикой при определении конформации нуклеозида имеет взаимное расположение углеводной и гетероциклической частей, которое определяется углом вращения вокруг N-гликозидной связи. С помощью различных способов исследования было показано, что существует две области разрешенных конформаций, называемых син- и антиконформациями.
Анти-аденозин Син-аденозин
Нуклеотиды – фосфорные эфиры нуклеозидов.
ДЕЗОКСИРИБОНУКЛЕОТИДЫ
У рибонуклеотидов остаток фосфорной кислоты может находиться в положениях 2′ и 3′ и 5′, у дезоксирибонуклеотидов – в положениях 3′ и 5′. В зависимости от числа имеющихся в молекуле нуклеотида остатков фосфорной кислоты различают моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов.
Сокращенные обозначения (однобуквенные и трехбуквенные) азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов широко используются в биохимии и приведены в таблице 10.1.
Таблица 10.1
Сокращенные обозначения азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов
| Структура | Основание (Х=Н) | Нуклеозид Х= рибоза (или дезоксирибоза) | Нуклеотид Х= рибозофосфат (или дезоксирибозофосфат) |
| Урацил, U, Ura | Уридин, U, Urd | Уридинмонофосфат, UMP |
| Тимин, Т, Thy | Тимидин,T,dThd Риботимидин, Thd | Тимидинмонофосфат, TMP |
| Цитозин, С, Cyt | Цитидин, C, Cyd, (dCyd) | Цитидинмонофосфат, СMP |
| Аденин, А, Ade | Аденозин, A, Ado, (dAdo) | Аденозинмонофосфат, AMP |
| Гуанин,G, Gua | Гуанозин, G, Guo, (dGuo) | Гуанозинмонофосфат, GMP |
На практике часто используют однобуквенное обозначение нуклеотидов с указанием положения фосфатной группы. Например, pA – это аденозин-5′-фосфат; Ар ‒ аденозин-3′-фосфат; pdG ‒ дезоксигуанозин-5′-фосфат.
Кроме основных пуриновых и пиримидиновых оснований, формирующих нуклеиновые кислоты, встречаются минорные основания. К пуриновым минорным основаниям относятся такие: инозин, N6-метиладенин, N2-метилгуанин, ксантин, гипоксантин, 7-метилгуанин и др. К пиримидиновым основаниям относятся такие: 5-метил- и 5-окси-метилцитозин, дигидроурацил, 1-метилурацил, оротовая кислота, 5-карбоксиурацил, 4-тиоурацил и др. Например, в состав нуклеотидов тРНК входят минорные основания в количестве 60 оснований на молекулу. В тРНК они выполняют 2 функции: делают тРНК устойчивыми к воздействию нуклеаз цитоплазмы и поддерживают определенную третичную структуру молекулы, т.к. не могут участвовать в образовании комплементарных пар и препятствуют спирализации определенных участков в полинуклеотидной последовательности тРНК.
Пиримидиновые минорные нуклеозиды и основания
Пуриновые минорные нуклеозиды и основания
Нуклеотиды AMP, GMP, CMP, UMP входят в состав рибонуклеиновых кислот. В состав дезоксирибонуклеиновых кислот входят dAMP, dGMP, dCMP, dTMP (дезокситимидинмонофосфат, или дезокситимидиловая кислота).
Нуклеотиды не только формируют нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Кроме того, они выступают в роли универсальных источников энергии в живых организмах. Они и их производные имеют самостоятельное значение и необходимы для протекания обменных процессов. Велика роль нуклеотидов, выполняющих кофакторную функцию и принимающих непосредственное участие в химической реакции, выступая в качестве акцептора или донора химических группировок, атомов, электронов.
Никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) и его фосфорное производное (NADP+) функционируют как коферменты в реакциях дегидрирования, забирая от донора (например, восстановленного субстрата) два электрона и один протон, переходя в восстановленную форму – NADH+H+ и NADPH+H+, соответственно.
Циклические нуклеотиды
Циклические нуклеотиды – это нуклеотиды, у которых образуется химическая связь между двумя атомами углерода рибозы. Биологическое значение имеют циклические нуклеотиды со связью между С3′ и C5′ углеродными атомами рибозы. Наиболее изученными являются производные аденозина и гуанозина – циклический АМР (сAMP) и циклический GMP (cGМP).
cАМP cGМP
Основными функциями циклических нуклеотидов являются передача и усиление молекулярного сигнала при действии различных биологически активных соединений (гормонов, цитокинов и др.); сAMP, как вторичный мессенджер, регулирует различные функции клетки путем активации или ингибирования специфических клеточных белков. Изменяя активность белков. сAMP регулирует экспрессию специфичных генов. cGМP участвует в преобразовании зрительного сигнала у животных.
ЛЕКЦИЯ 11
