Нуклеиновые кислоты

Нуклеїнові  кислоти

 

БУДОВА  І ВЛАСТИВОСТІ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти  відіграють головну роль в передачі спадкових ознак (генетичній інформації) і управлінні процесом біосинтезу білка.

Історія їх вивчення починається з виділення швейцарським хіміком Ф. Мішером (1869) з ядер клітин лейкоцитів речовини кислотного характеру у вигляді комплексу із білками, названого їм нуклеїном (від лат. nucleus — ядро). Термін «нуклеїнові кислоти» запропонований А. Коселем в 1889 р. До кінця 19 століття нуклеїнові кислоти були отримані Р. Альтманом (1899) у вільному від білка стані з тваринних тканин і дріжджів, а в 1936 р. А.Н. Белозерським із співр. — з рослинного матеріалу.

Нуклеїнові  кислоти є складними високомолекулярними сполуками з молекулярною масою яка змінюється в межах від 25 тис. до 120 млн., полімерні ланцюги яких побудовані з мономерних одиниць — нуклеотидів (у зв'язку з чим нуклеїнові кислоти називають полінуклеотидами).

Нуклеїнові кислоти діляться на рибонуклеїнові, що містять D-рибозу (РНК), і дезоксирибонуклеїнові, що містять 2-дезокси-D-рибозу (ДНК).

Особливо характерний  для нуклеїнових кислот вміст  Р (8—10%) і N (15—16%). Нуклеїнові кислоти  також містять С, Н і О. Крім того, у складі ДНК відкритий кремній в кількості 0,26-0,31%, тому припускають, що він в нуклеїнових кислотах є ізоформним до фосфору і здатний включатися в полінуклеотидну послідовність.

 

Структурні  елементи нуклеотидів

Серед структурних  елементів нуклеїнових кислот знайдені:

• піримідинові основи
• пуринові основи
• вуглеводи
• фосфорна кислота.

 

Азотисті основи.

Азотистими основами називають гетероциклічні сполуки піримідинового і пуринового рядів, що входять до складу нуклеїнових кислот. В якості замісників в гетероциклічному ядрі вони містять:

• або оксогрупу (урацил, тимін),
• або аміногрупу (аденін),
• або одночасно обидві ці групи (цитозин, гуанін).

 

Нуклеїнові кислоти  містять по дві пуринові і по дві  піримідинові основи; відмінність тільки в піримідинових основах: у ДНК  міститься тимін, а в РНК - урацил.

• до складу ДНК входять: аденін, тимін, гуанін, цитозин.
• до складу РНК входять: аденін, урацил, гуанін, цитозин.

Основу структури пуринових  і піримідинових основ складають  дві ароматичні гетероциклічні сполуки - піримідин і пурин:

 

 

 

 

 

 

 

Молекула пурину складається  з двох конденсованих кілець: піримідину і імідазолу.

У складі нуклеїнових кислот зустрічаються  три головні піримідинові основи: цитозін, урацил і тимін.

 

 

 

 

 

 

 

Дві пурінові основи нуклеїнових кислот, що постійно зустрічаються в гідролізаті, мають наступну будову:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однією з важливих властивостей вільних азотистих основ (що містять оксигрупи) є можливість їх існування в двох таутомерних формах, зокрема енольній (лактимній) і кетонній (лактамній) формах, залежно від значення рН середовища: при рН 7,0 вони представлені в лактамній формі, при зниженні величини рН - в лактимній формі. Таутомерні перетворення можна представити на прикладі урацилу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У складі природних нуклеїнових кислот все  оксипохідні пуринів (крім аденіну) і піримідинів знаходяться в  кетонній (лактамній) формі.

 

Крім головних піримідинових основ, у складі нуклеїнових кислот відкриті мінорні піримідинові основи, 5-метил- і 5-оксиметилцитозин, дигідроурацил, псевдоурацил, 1-метилурацил, оротова кислота, 5-карбоксиурацил, 4-тіоурацил та ін. Тільки для трнк список мінорних основ наближається до 50. На долю мінорних основ приходиться до 10% всіх нуклеотідов трнк, що має важливе фізіологічне значення (захист молекули РНК від дії гідролітичних ферментів – рибонуклеаз).

 

 

 

 

 

 

 

 

До мінорних нуклеотидів пуринового ряду, таких, що є у складі ДНК і РНК, відносять N⁶-метиладенін, N²-метилгуанін, ксантин, гіпоксантин, 7-метилгуанін та ін.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вуглеводи.

Вуглеводна складова нуклеїнових кислот представлена двома  моносахаридами правого ряду: D-рибозою і 2-дезокси-D-рибозою.

У складі нуклеїнових кислот обидва моносахариди знаходяться в β-D-рибофуранозній формі:

 

 

 

 

 

 

 

Недавно з'ясовано, що рибоза і дезоксирибоза не є  єдиними вуглеводами, що входять  до складу нуклеїнових кислот: у  ряді фагових ДНК і ДНК деяких видів ракових клітин знайдена глюкоза, яка з'єднується глікозидним зв'язком з 5-оксиметилцитозином.

 

Нуклеозиди.

Нуклеозидами є N- або С-глікозидні похідні піримідинових або пуринових основ, складаються лише з залишків азотистої основи та пентози.

D-рибоза і  2-дезокси-D-рибоза до складу природних  нуклеозидів входять у фуранозній формі (атоми вуглецю в них нумерують цифрою зі штрихом). Природні нуклеозиди завжди є β-аномерами.

Залежно від  природи вуглеводного залишку розрізняють  рибонуклеозиди і дезоксирибонуклеозиди. Назви нуклеозидів будуються як для глікозидів, наприклад β-аденінрибофуранозид і тому подібне. Проте частіше використовують назви, що утворюються від тривіальної назви відповідної азотистої основи з суфіксами -идин у піримідинових і -озин у пуринових нуклеозидах.

Цитозин + Рибоза –> Цитидин

Цитозин + Дезоксирибоза  –> Дезоксицитидин

Аденін + Рибоза –> Аденозин

Аденін + Дезоксирибоза  –> Дезоксиаденозин

Виключенням є  назва тимідин (а не дезокситимідин), що використовується для дезоксирибозиду тиміну, що входить до складу ДНК. У тих окремих випадках, коли тимін зустрічається в РНК, відповідний нуклеозид називається риботимідином.

N-глікозидний зв'язок в нуклеозидах здійснюється між аномерним атомом вуглецю С-1 рибози (або дезоксирибози) і атомом азоту N-1 піримідинової і N-9 пуринової основи.

Будучи N-глікозидами, нуклеозиди стійкі до гідролізу в слаболужному середовищі, але розщеплюються на азотисті основи та пентози під час кислотного гідролізу лише при нагріванні. Пуринові нуклеозиди гідролізуються легко, піримідинові важче.

 

Нуклеотиди.

Нуклеотидами  називаються фосфати нуклеозидів. Фосфорна кислота зазвичай етерифікує спиртовий гідроксил при п’ятому (С-5') або третьому (С-3') атомі вуглецю у залишку рибози (рибонуклеотиди) або дезоксирибози (дезоксирибонуклеотиди).

Для з’єднанні  трьох компонентів в молекулі нуклеотиду використовуються складноефірний і N-глікозидний зв'язки. Нуклеотиди можна розглядати, з одного боку, як ефіри нуклеозидів (фосфати), з іншої — як кислоти (у зв'язку з наявністю залишку фосфорної кислоти).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для нуклеотидів  використовують два види назв (таблиця. 13.1). Одна включає найменування нуклеозиду з вказанням положення в ньому  фосфатного залишку (наприклад, аденозин-3'-фосфат, уридин-5'-фосфат), інша будується з додаванням суфікса -ова кислота до назви залишку піримідинової (наприклад, 5'-уридилова кислота) або пуринової (наприклад, 3'-аденілова кислота) основ. Наявність дезоксирибози наголошується приставкою «дезокси».

 

Таблиця 13.1. Найважливіші нуклеотиди, що входять до складу нуклеїнових кислот

 

Назва нуклеотидів		Скорочені назви
як фосфатів	як кислот
Аденозин-5'-фосфат	5'-Аденілова кислота	AMФ
Гуанозин-5'-фосфат	5'-Гуанілова кислота	ГMФ
Цитидин-5'-фосфат	5'-Цитидилова  кислота	ЦМФ
Уридин-5'-фосфат	5'-Уридилова  кислота	УMФ
Дезоксиаденозин-5'-фосфат	5'-Дезоксиаденілова кислота	дAMФ
Дезоксигуанозин-5'-фосфат	5'-Дезоксигуанілова кислота	дГMФ
Дезоксицитидин-5'-фосфат	5'-Дезоксицитидилова кислота	дЦMФ
Тимідин-5'-фосфат	5'-Тимідилова  кислота	дTMФ

 

Залежно від кількості  залишків фосфорної кислоти, що приєднуються до нуклеозиду бувають моно-, ди- та трифосфати.

Нуклеозиди можна виділити з нуклеїнових кислот після їх хімічного або ферментативного  гідролізу. РНК при кип’ятінні з  водним піридином, розбавленим розчином аміаку, розщеплюються до рибонуклеозидів. З ДНК при ферментативному гідролізі (фосфодіестераза та фосфомоноестераза зміїної отрути) утворюються дезоксирибонуклеозиди.

При кислотному гідролізі  нуклеозиди розщеплюються до гетероциклічної основи та пентози.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Склад, властивості та види нуклеїнових кислот.

 

Існує два типи нуклеїнових кислот, що відрізняються  за складом, будовою і функціями. Відповідно до характеру вуглеводного компоненту одна з них називається дезоксирибонуклеїновою кислотою (ДНК), інша — рибонуклеїновою кислотою (РНК).

ДНК і РНК  відрізняються також і за якісним  складом піримідинових основ: для  першої характерна наявність тиміну, для другої — урацилу. Особливо значні відмінності у мінорних пуринових і піримідинових основах ДНК і РНК: остання містить набагато багатший (більше 50) їх набір.

Склад, властивості  та види ДНК

В організмі ДНК у  першу чергу виконує функцію  носія генетичної інформації. ДНК переважно зосереджена в ядрі, а в мітохондріях і хлоропластах міститься тільки невеликий відсоток клітинної ДНК. В клітинах ДНК упаковано у вигляді компактних структур – хромосом.

ДНК має велику молекулярну  масу – від 1 × 10⁶ до 10…100 × 10⁹. Молекулярні маси вірусних і фагових ДНК вимірюються десятками і сотнями мільйонів дальтон. Молекулярна маса ДНК еукаріот значно вища. Про це свідчить молекулярна маса ДНК, виділеної з найбільшої хромосоми плодової мушки, — дрозофіли. Вся ДНК хромосоми представлена однією молекулою з Мr=40×10⁹.

Вміст ДНК в  клітинах організму певного виду відрізняється незвичайною постійністю, тоді як міжвидові відмінності за цим показником досить великі.

Кількість ДНК в клітині вимірюється  пікограмами (10^–12 г), змінюється від 0,01 пг у кишкової палички до декількох пікограмів в гаплоїдних клітинах вищих організмів.

Розчини ДНК мають  високу в’язкість, високу оптичну активність (обертають площину поляризації  світла).

ДНК здатна до денатурації, яка полягає у розриві водневих і вандерваальсових зв’язків, в  деспіралізації та розходженні полінуклеотидних ланцюгів. Денатурацію викликають кислоти, луги, спирти, висока температура.

Завдяки наявності великої  кількості залишків фосфорної кислоти  нуклеїнові кислоти мають яскраво  виражену кислотність: легко взаємодіють  з іонами металів (кальцій, магній) та з лужними білками (гістонами).

Залежно від місця локалізації ДНК  в клітині розрізняють:

• ядерну ДНК,
• мітохондріальну ДНК,
• хлоропластну ДНК,
• центріольну ДНК,
• епісомальну ДНК.

 

Склад, властивості  та види РНК

Якщо, ДНК міститься в основному в ядрах клітин, то РНК переважно знаходяться в рибосомах, а також протоплазмі клітин. Основна роль РНК полягає в безпосередній участі в біосинтезі білка.

Відомо три види клітинних  РНК: транспортна (тРНК), матрична (мРНК) і рибосомна (рРНК). Вони розрізняються  за місцем розташування в клітині, складом  і розмірами, а також функціями.

На відміну  від ДНК, молекули РНК відрізняються за вмістом у клітині, будовою, складом, функціями і локалізацією. Вміст її в різних клітинах залежить від умов існування клітин (в клітині, що швидко росте, де інтенсивно іде синтез білка, РНК більше). На долю РНК приходиться 5 - 10 % від загальної маси клітини. Основна маса РНК міститься у цитоплазмі (90 %), решта – в ядрі та інших органелах клітини.