4.2.1. Первичной структурой нуклеиновых кислот называется последовательность расположения мононуклеотидов в цепи ДНК или РНК . Первичная структура нуклеиновых кислот стабилизируется 3",5"-фосфодиэфирными связями. Эти связи образуются при взаимодействии гидроксильной группы в 3"-положении пентозного остатка каждого нуклеотида с фосфатной группой соседнего нуклеотида (рисунок 3.2),
Таким образом, на одном конце полинуклеотидной цепи имеется свободная 5"-фосфатная группа (5"-конец), а на другом - свободная гидроксильная группа в 3"-положении (3"-конец). Нуклеотидные последовательности принято записывать в направлении от 5"-конца к 3"-концу.
Рисунок 4.2. Структура динуклеотида, в состав которого входят аденозин-5"-монофосфат и цитидин-5"-монофосфат.
4.2.2. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) содержится в клеточном ядре и имеет молекулярную массу порядка 1011 Да. В состав её нуклеотидов входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, тимин , углевод дезоксирибоза и остатки фосфорной кислоты. Содержание азотистых оснований в молекуле ДНК определяют правила Чаргаффа:
1) количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых (А + Г = Ц + Т) ;
2) количество аденина и цитозина равно количеству тимина и гуанина соответственно (А = Т; Ц = Г) ;
3) ДНК, выделенные из клеток различных биологических видов, отличаются друг от друга величиной коэффициента специфичности:
(Г + Ц) /(А + Т)
Эти закономерности в строении ДНК объясняются следующими особенностями её вторичной структуры:
1) молекула ДНК построена из двух полинуклеотидных цепей, связанных между собой водородными связями и ориентированных антипараллельно (то есть 3"-конец одной цепи расположен напротив 5"-конца другой цепи и наоборот);
2) водородные связи образуются между комплементарными парами азотистых оснований. Аденину комплементарен тимин; эта пара стабилизируется двумя водородными связями. Гуанину комплементарен цитозин; эта пара стабилизируется тремя водородными связями (см. рисунок б) . Чем больше в молекуле ДНК пар Г-Ц, тем больше её устойчивость к действию высоких температур и ионизирующего излучения;
Рисунок 3.3. Водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями.
3) обе цепи ДНК закручены в спираль, имеющую общую ось. Азотистые основания обращены внутрь спирали; кроме водородных, между ними возникают также гидрофобные взаимодействия. Рибозофосфатные части расположены по периферии, образуя остов спирали (см. рисунок 3.4).
Рисунок 3.4. Схема строения ДНК.
4.2.3. РНК (рибонуклеиновая кислота) содержится преимущественно в цитоплазме клетки и имеет молекулярную массу в пределах 104 - 106 Да. В состав её нуклеотидов входят азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, урацил , углевод рибоза и остатки фосфорной кислоты. В отличие от ДНК, молекулы РНК построены из одной полинуклеотидной цепи, в которой могут находиться комплементарные друг другу участки (рисунок 3.5). Эти участки могут взаимодействовать между собой, образуя двойные спирали, чередующиеся с неспирализованными участками.
Рисунок 3.5. Схема строения транспортной РНК.
По особенностям структуры и функции различают три основных типа РНК:
1) матричные (информационные) РНК (мРНК) передают информацию о структуре белка из клеточного ядра на рибосомы;
2) транспортные РНК (тРНК) осуществляют транспорт аминокислот к месту синтеза белка;
3) рибосомальные РНК (рРНК) входят в состав рибосом, участвуют в синтезе белка.
Все живое на планете состоит из множества клеток, поддерживающих упорядоченность своей организации за счет содержащейся в ядре генетической информации. Она сохраняется, реализуется и передается сложными высокомолекулярными соединениями - нуклеиновыми кислотами, состоящими из мономерных звеньев - нуклеотидов. Роль нуклеиновых кислот невозможно переоценить. Стабильностью их структуры определяется нормальная жизнедеятельность организма, а любые отклонения в строении неминуемо приводят к изменению клеточной организации, активности физиологических процессов и жизнеспособности клеток в целом.
Понятие нуклеотида и его свойства
Каждая или РНК собрана из более мелких мономерных соединений - нуклеотидов. Другими словами, нуклеотид - это строительный материал для нуклеиновых кислот, коферментов и многих других биологических соединений, которые крайне необходимы клетке в процессе ее жизнедеятельности.
К основным свойствам этих незаменимых веществ можно отнести:
Хранение информации о и наследуемых признаках;
. осуществление контроля над ростом и репродукцией;
. участие в метаболизме и многих других физиологических процессах, протекающих в клетке.
Говоря о нуклеотидах, нельзя не остановиться на таком важном вопросе, как их структура и состав.
Каждый нуклеотид состоит из:
Сахарного остатка;
. азотистого основания;
. фосфатной группы или остатка фосфорной кислоты.
Можно сказать, что нуклеотид - это сложное органическое соединение. В зависимости от видового состава азотистых оснований и типа пентозы в структуре нуклеотида нуклеиновые кислоты подразделяются на:
Дезоксирибонуклеиновую кислоту, или ДНК;
. рибонуклеиновую кислоту, или РНК.
Состав нуклеиновых кислот
В нуклеиновых кислотах сахар представлен пентозой. Это пятиуглеродный сахар, в ДНК его называют дезоксирибозой, в РНК - рибозой. Каждая молекула пентозы имеет пять атомов углерода, четыре из них вместе с атомом кислорода образуют пятичленное кольцо, а пятый входит в группу НО-СН2.
Положение каждого атома углерода в молекуле пентозы обозначается арабской цифрой со штрихом (1C´, 2C´, 3C´, 4C´, 5C´). Поскольку все процессы считывания с молекулы нуклеиновой кислоты имеют строгую направленность, нумерация атомов углерода и их расположение в кольце служат своего рода указателем правильного направления.
По гидроксильной группе к третьему и пятому углеродным атомам (3С´ и 5С´) присоединен остаток фосфорной кислоты. Он и определяет химическую принадлежность ДНК и РНК к группе кислот.
К первому углеродному атому (1С´) в молекуле сахара присоединено азотистое основание.
Видовой состав азотистых оснований
Нуклеотиды ДНК по азотистому основанию представлены четырьмя видами:
Аденином (А);
. гуанином (Г);
. цитозином (Ц);
. тимином (Т).
Первые два относятся к классу пуринов, два последних - пиримидинов. По молекулярной массе пуриновые всегда тяжелее пиримидиновых.
Нуклеотиды РНК по азотистому основанию представлены:
Аденином (А);
. гуанином (Г);
. цитозином (Ц);
. урацилом (У).
Урацил так же, как и тимин, является пиримидиновым основанием.
В научной литературе нередко можно встретить и другое обозначение азотистых оснований - латинскими буквами (A, T, C, G, U).
Подробнее остановимся на химической структуре пуринов и пиримидинов.
Пиримидины, а именно цитозин, тимин и урацил, в своем составе представлены двумя атомами азота и четырьмя атомами углерода, образующих шестичленное кольцо. Каждый атом имеет свой номер от 1 до 6.
Пурины (аденин и гуанин) состоят из пиримидина и имидазола или двух гетероциклов. Молекула пуриновых оснований представлена четырьмя атомами азота и пятью атомами углерода. Каждый атом пронумерован от 1 до 9.
В результате соединения азотистого основания и остатка пентозы образуется нуклеозид. Нуклеотид - это соединение нуклеозида и фосфатной группы.
Образование фосфодиэфирных связей
Важно разобраться в вопросе о том, как соединяются нуклеотиды в полипептидную цепь и образуют молекулу нуклеиновой кислоты. Происходит это за счет так называемых фосфодиэфирных связей.
Взаимодействие двух нуклеотидов дает динуклеотид. Образование нового соединения происходит путем конденсации, когда между фосфатным остатком одного мономера и гидроксигруппой пентозы другого возникает фосфодиэфирная связь.
Синтез полинуклеотида - неоднократное повторение этой реакции (несколько миллионов раз). Полинуклеотидная цепь строится посредством образования фосфодиэфирных связей между третьим и пятым углеродами сахаров (3С´ и 5С´).
Сборка полинуклеотида - сложный процесс, протекающий при участии фермента ДНК-полимеразы, которая обеспечивает рост цепи только с одного конца (3´) со свободной гидроксигруппой.
Структура молекулы ДНК
Молекула ДНК, так же как и белка, может иметь первичную, вторичную и третичную структуру.
Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК определяет ее первичную формируется за счет водородных связей, в основе возникновения которых положен принцип комплементарности. Другими словами, при синтезе двойной действует определенная закономерность: аденин одной цепи соответствует тимину другой, гуанин - цитозину, и наоборот. Пары аденина и тимина или гуанина и цитозина образуются за счет двух в первом и трех в последнем случае водородных связей. Такое соединение нуклеотидов обеспечивает прочную связь цепей и равное расстояние между ними.
Зная последовательность нуклеотидов одной цепи ДНК, по принципу комплементарности или дополнения можно достроить вторую.
Третичная структура ДНК образована за счет сложных трехмерных связей, что делает ее молекулу более компактной и способной размещаться в малом объеме клетки. Так, например, длина ДНК кишечной палочки составляет более 1 мм, тогда как длина клетки - меньше 5 мкм.
Число нуклеотидов в ДНК, а именно их количественное соотношение, подчиняется правилу Чергаффа (число пуриновых оснований всегда равно количеству пиримидиновых). Расстояние между нуклеотидами - величина постоянная, равная 0,34 нм, как и их молекулярная масса.
Структура молекулы РНК
РНК представлена одной полинуклеотидной цепочкой, образованной через между пентозой (в данном случае рибозой) и фосфатным остатком. По длине она значительно короче ДНК. По видовому составу азотистых оснований в нуклеотиде также имеются различия. В РНК вместо пиримидинового основания тимина используется урацил. В зависимости от функций, выполняемых в организме, РНК может быть трех типов.
Рибосомальная (рРНК) - содержит обычно от 3000 до 5000 нуклеотидов. Как необходимый структурный компонент принимает участие в формировании активного центра рибосом, места осуществления одного из важнейших процессов в клетке — биосинтеза белка.
. Транспортная (тРНК) - состоит в среднем из 75 - 95 нуклеотидов, осуществляет перенос нужной аминокислоты к месту синтеза полипептида в рибосоме. Каждый вид тРНК (не менее 40) имеет свою, присущую только ему последовательность мономеров или нуклеотидов.
. Информационная (иРНК) - по нуклеотидному составу весьма разнообразна. Переносит генетическую информацию от ДНК к рибосомам, выступает в роли матрицы для синтеза белковой молекулы.
Роль нуклеотидов в организме
Нуклеотиды в клетке выполняют ряд важнейших функций:
Используются в качестве структурных блоков для нуклеиновых кислот (нуклеотиды пуринового и пиримидинового рядов);
. участвуют во многих обменных процессах в клетке;
. входят в состав АТФ - главного источника энергии в клетках;
. выступают в роли переносчиков восстановительных эквивалентов в клетках (НАД+, НАДФ+, ФАД, ФМН);
. выполняют функцию биорегуляторов;
. могут рассматриваться как вторые вестники внеклеточного регулярного синтеза (например, цАМФ или цГМФ).
Нуклеотид - это мономерная единица, образующая более сложные соединения - нуклеиновые кислоты, без которых невозможна передача генетической информации, ее хранение и воспроизведение. Свободные нуклеотиды являются главными компонентами, участвующими в сигнальных и энергетических процессах, поддерживающих нормальную жизнедеятельность клеток и организма в целом.
Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тыс. до 1 млн и более.
Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты назы- вают полинуклеотидами.
Обычно «неделимое» мономерное звено (например, аминокислотный остаток в белках) у нуклеотидов представляет собой трехкомпонентное образование, включающее гетероциклическое основание, углеводный остаток и фосфатную группу.
Углеводными компонентами служат пентозы - D-рибоза и 2-дезокси-э-рибоза. В зависимости от этого нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеиновые (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибо- нуклеиновые (ДНК), содержащие дезоксирибозу.
ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК находятся преимущественно в рибосомах, а также протоплазме клеток. РНК непосредственно участвуют в биосинтезе белка.
14.1. Нуклеотиды
14.1.1. Нуклеозиды
В химии нуклеиновых кислот входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидинового и пуринового рядов обычно называют нуклеиновыми основаниями.
Нуклеиновые основания в качестве заместителей в гетероцикле могут содержать:
Либо оксогруппу, как в урациле и тимине;
Либо аминогруппу, как в аденине;
Либо одновременно обе эти группы, как в цитозине и гуанине.
Кислородсодержащие основания представлены лактамными таутомерными формами, в которых ароматичность не нарушена (см. 13.4). Для всех оснований приняты сокращенные трехбуквенные обозначения, составленные из первых букв их латинских названий.
Нуклеиновые кислоты различаются входящими в них гетероциклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин -
в ДНК:
Нуклеиновые основания образуют связь за счет одного из атомов азота с аномерным центром пентозы (D-рибозы или 2-дезокси-D- рибозы). Этот тип связи аналогичен обычной гликозидной связи и известен как N-гликозидная связь, а сами гликозиды - как N-гликози- ды. В химии нуклеиновых кислот их называют нуклеозидами.
В состав природных нуклеозидов пентозы входят в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со штрихом). Гликозидная связь осуществляется с атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.
Природные нуклеозиды всегда являются β -аномерами.
В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Для нуклеозидов употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов.
Исключение составляет название «тимидин» (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином.
Трехбуквенные символы нуклеозидов отличаются от символов оснований последней буквой. Однобуквенные символы применяются только для остатков (радикалов) нуклеозидов в более сложных структурах.
Нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но гидролизуются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее.
В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае - на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает
в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин - аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.
14.1.2. Нуклеотиды
Нуклеотидами называют фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5" или С-3" в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды).
Общий принцип строения нуклеотидов показан на примере фосфатов аденозина. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используются сложноэфирная и N-гликозидная связи.
Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).
За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН ~7 находятся в полностью ионизированном состоянии.
Для нуклеотидов используют два вида названий (табл. 14.1). Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка, например, аденозин-3"-фосфат, уридин-5"-фос- фат; другое строится с добавлением сочетания -иловая кислота к названию остатка пиримидинового основания, например, 5"-уридило- вая кислота, или пуринового основания, например 3"-адениловая кислота.
Используя принятый для нуклеозидов однобуквенный код, 5"-фосфаты записывают с добавлением латинской буквы «р» перед символом нуклеозида, 3"-фосфаты - после символа нуклеозида. Аденозин-5"-фосфат обозначается рА, аденозин-3"-фосфат - Ар и т. п. Эти сокращенные обозначения используют для записи последовательности нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах. По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литера-
туре широко используют их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например АМР (или АМФ) для аденозин-5"-фосфата и т. д. (см. табл. 14.1).
Таблица 14.1. Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот
Циклофосфаты. К ним относятся нуклеотиды, у которых одна молекула фосфорной кислоты этерифицирует одновременно две гидроксильные группы углеводного остатка. Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата - аденозин-3",5"- циклофосфат (cAMP) и гуанозин-3",5"-циклофосфат (cGMP).
14.2. Структура нуклеиновых кислот
14.2.1. Первичная структура
В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связаны через фосфатную группу. Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3" предыдущего и с С-5" последующего нуклеотидных звеньев (рис. 14.1). Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам. Нуклеотид со свободной 5"-ОН группой называют 5"-концевым, а нуклеотид со свободной З"-ОН группой - З"-концевым.
На рисунке 14.2 приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания. Легко представить, какое множество сочетаний можно получить путем варьирования последовательности четырех нуклеотидных остатков. Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил.
Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.
Для удобства записи первичной структуры существует несколько способов сокращений. Один из них заключается в использовании ранее приведенных сокращенных названий нуклеозидов. Например, показанный на рис. 14.2 фрагмент цепи ДНК может быть записан
Рис. 14.1. Общий принцип строения полинуклеотидной цепи
Рис. 14.2. Первичная структура участка цепи ДНК
как d(ApCpGpTp...) или d(A-C-G-T...). Часто букву d опускают, если очевидно, что речь идет о ДНК.
Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.
ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые, в свою очередь, способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.
14.2.2. Вторичная структура ДНК
Под вторичной структурой понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основа- ния составляют комплементарные пары.
Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого -NH...O=C- , а также между амидным и иминным атомами азота -NH...N-Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т. е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.
Водородные связи между комплементарными основаниями - один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Это означает, что первичная структура, т. е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи (рис. 14.3).
Рис. 14.3. Комплементарность полинуклеотидных цепей в двойной спирали
ДНК
14.3. Нуклеотидные коферменты
Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохими- ческих процессах и особенно важны в роли коферментов, т. е. веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявления ими ферментативной активности.
14.3.1. Нуклеозидполифосфаты
Во всех тканях организма содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны аденинсодержащие нук- леотиды - аденозин-5"-фосфат (АМР), аденозин-5"-дифосфат (ADP)
и аденозин-5"-трифосфат (ATP) (для этих соединений наряду с приведенными сокращенными обозначениями латинскими буквами в оте- чественной литературе используют сокращения соответствующих русских названий - АМФ, АДФ, АТФ).
Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фос- фатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная - две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. Необходимые для образования такой связи энергетические затраты восполняются за счет энергии, выделяемой в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи Р~О (обозначаемой волнистой линией) выделяется ~32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.
В показанных ниже взаимопревращениях АМФ, АДФ и АТФ формулы этих соединений соответствуют их неионизированному состоянию. В физиологических условиях при рН ~7 фосфатные группы почти полностью ионизированы, поэтому в биохимической литературе эти и любые другие нуклеотиды записывают соответственно в виде анионов.
Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах. С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс - перенос фосфатных групп. Например, образование сложных эфиров (фосфатов) - типичная реакция в метаболизме углеводов. Все стадии гликолиза (превращения глюкозы в пируват) осуществляются только в фосфатной форме. Получение фосфатов гидроксилсодержа- щих соединений можно представить в виде общей схемы.
Так, галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, на начальной стадии метаболического превращения в глюкозу взаимо- действует с АТФ с образованием монофосфата.
14.3.2. Никотинамиднуклеотиды
Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов в осуществлении многих
окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) форме.
Структурным фрагментом НАД + и НАДФ + является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН и НАДФН этот фрагмент превращается в остаток 1,4-дигидропиридина.
В ходе биологического дегидрирования субстрат теряет два атома водорода, т. е. два протона и два электрона (2Н+, 2е) или протон и гидрид-ион (Н+ и Н -). Кофермент НАД+ обычно рассматривается как акцептор гидрид-иона Н - (хотя окончательно не установлено, происходит ли перенос атома водорода к этому коферменту одновременно с переносом электрона или эти процессы протекают раздельно).
В результате восстановления путем присоединения гидрид-иона к НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1,4-дигидропиридиновый фрагмент. Этот процесс обратим.
В реакции окисления ароматический пиридиниевый цикл переходит в неароматический 1,4-дигидропиридиновый цикл. В связи с потерей ароматичности возрастает энергия НАДН по сравнению с НАД + . Таким способом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.
Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, пре- вращение ретинола в ретиналь, см. 15.4), а с участием НАДН - восстановление карбонильных групп в спиртовые (превращение пировиноградной кислоты в молочную, см. 9.2.3).
Подобно белкам, нуклеиновые кислоты - биополимеры, а их функция заключается в хранении, реализации и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах.
Существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). Мономерами в нуклеиновых кислотах служат нуклеотиды. Каждый из них содержит азотистое основание, пятиуглеродный сахар (дезоксирибоза - в ДНК, рибоза - в РНК) и остаток фосфорной кислоты.
В ДНК входят четыре вида нуклеотидов, отличающихся по азотистому основанию в их составе, - аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). В молекуле РНК также имеется 4 вида нуклеотидов с одним из азотистых оснований - аденином, гуанином, цитозином и урацилом (У). Таким образом, ДНК и РНК различаются как по содержанию сахара в нуклеотидах, так и по одному из азотистых оснований (табл. 1).
Таблица 1
Компоненты нуклеотидов ДНК и РНК
Молекулы ДНК и РНК существенно различаются по своему строению и выполняемым функциям.
Молекула ДНК может включать огромное количество нуклеотидов - от нескольких тысяч до сотен миллионов (поистине гигантские молекулы ДНК удается «увидеть» с помощью электронного микроскопа). В структурном отношении она представляет собой двойную спираль из полинуклеотидных цепей (рис. 1), соединенных с помощью водородных связей между азотистыми основаниями нуклеотидов. Благодаря этому полинуклеотидные цепи прочно удерживаются одна возле другой.
При исследовании различных ДНК (у разных видов организмов) было установлено, что аденин одной цепи может связываться лишь с тимином, а гуанин - только с цитозином другой. Следовательно, порядок расположения нуклеотидов в одной цепи строго соответствует порядку их расположения в другой. Этот феномен получил название комплементарности (т. е. дополнения), а противоположные полинуклеотидные цепи называются комплементарными. Именно этим обусловлено уникальное среди всех неорганических и органических веществ свойство ДНК - способность к самовоспроизведению или удвоению (рис. 2). При этом сначала комплементарные цепи молекул ДНК расходятся (под воздействием специального фермента происходит разрушение связей между комплементарными нуклеотидами двух цепей). Затем на каждой цепи начинается синтез новой («недостающей») комплементарной ей цепи за счет свободных нуклеотидов, всегда имеющихся в большом количестве в клетке. В результате вместо одной («материнской») молекулы ДНК образуются две («дочерние») новые, идентичные по структуре и составу друг другу, а также исходной молекуле ДНК. Этот процесс всегда предшествует клеточному делению и обеспечивает передачу наследственной информации от материнской клетки дочерним и всем последующим поколениям.
Рис. 1. Двойная спираль ДНК. Две цепи обвиты одна вокруг другой. Каждая цепь (изображенная в виде ленты) состоит из чередующихся остатков сахара и фосфатных групп. Водородные связи между азотистыми основаниями (А, Т, Г и Ц) удерживают две цепи вместе
Рис. 2. Репликация ДНК. Двойная спираль «расстегивается» по слабым водородным связям, соединяющим комплементарные основания двух цепей. Каждая из старых цепей служит матрицей для образования новой: нуклеотиды с комплементарными основаниями выстраиваются против старой цепи и соединяются друг с другом
Молекулы РНК, как правило, одноцепочечные (в отличие от ДНК) и содержат значительно меньшее число нуклеотидов. Выделяют три вида РНК (табл. 2), различающиеся по величине молекул и выполняемым функциям, - информационную (иРНК), рибосомальную (рРНК) и транспортную (тРНК).
Таблица 2
Три вида РНК
Информационная РНК (и-РНК) располагается в ядре и цитоплазме клетки, имеет самую длинную полинуклеотидную цепь среди РНК и выполняет функцию переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму клетки.
Транспортная РНК (т-РНК) также содержится в ядре и цитоплазме клет-ки, ее цепь имеет наиболее сложную структуру, а также является самой короткой (75 нуклеотидов). Т-РНК доставляет аминокислоты к рибосомам в процессе трансляции - биосинтеза белка.
Рибосомальная РНК (р-РНК) содержится в ядрышке и рибосомах клетки, имеет цепь средней длины. Все виды РНК образуются в процессе транскрипции соответствующих генов ДНК.
Молекула нуклеотида имеет в своем составе сахар, фосфат и азотистую основу. Как эти простые компоненты позволяют нуклеотидам объединяться вместе, чтобы создавать такие полимеры, как ДНК и РНК, а также молекулы, несущие энергию, такие как АТФ?
Нуклеотиды: часть структуры ДНК
Что такое нуклеотид? Чтобы это понять, нужно представить себе ДНК. Попав в ядро клетки и распутав хромосомы, можно увидеть тонкую двойную нить. При масштабировании можно увидеть, что каждая из этих нитей состоит из небольших строительных блоков, называемых нуклеотидами.
Если ДНК выглядит как скрученная лестница, каждый строительный блок или нуклеотид включает половину ступени и немного вертикальной части лестницы. Другая половина ступени относится к соседней цепочке ДНК. Нуклеотиды также могут существовать сами по себе или быть частью других важных молекул, помимо ДНК. Например, энергетический носитель АТФ представляет собой форму нуклеотида.
Компоненты нуклеотида
В состав нуклеотида входят такие компоненты, как азотистая основа, сахар и один или несколько фосфатов. Стоит рассмотреть каждый их них более подробно:
- Азотистое основание. Это может быть аденин, тимин, цитозин, гуанин, урацил. Они не являются кислотами, каждый из них содержит несколько атомов азота. Нуклеотиды могут соединяться друг с другом: цитозин всегда составляет пару с гуанином и адениновые пары с тимином в ДНК или урацил в РНК.
- Следующим основным компонентом нуклеотида является сахар. Существует много видов сахара, но здесь важны два: рибоза - это сахар, который вы увидите в РНК. Существует версия рибозы, у которой отсутствует атом кислорода, и он будет называться сахарной дезоксирибозой. Это тип сахара в ДНК-нуклеотидах. Помните, что ДНК - это дезоксирибонуклеиновая кислота.
- Последним основным фрагментом нуклеотида является фосфат. Фосфат представляет собой атом фосфора, связанный с четырьмя атомами кислорода. Связи между фосфатами являются очень высокой энергией и действуют как форма хранения энергии. Когда связь сломана, полученная энергия может быть использована для выполнения работы.
Типы нуклеотидов
Когда нуклеотиды полимеризуются или объединяются вместе, они образуют нуклеиновую кислоту, такую как ДНК или РНК. Каждый нуклеотидный фосфат присоединяется к другому сахару, образуя сахар-фосфатную основу с азотистыми основаниями. Нуклеозид является частью нуклеотида, который состоит только из сахара и основания. Таким образом, мы можем говорить о нуклеотиде как о нуклеозиде и фосфатах:
- Нуклеозид монофосфат представляет собой нуклеотид, который включает в себя один фосфат.
- Нуклеозид дифосфат представляет собой нуклеотид, который включает в себя два фосфата.
- Нуклеозид трифосфат представляет собой нуклеотид, который содержит три фосфата. Нуклеотиды являются строительными блоками ДНК и РНК.
Какие различают типы нуклеотидов, какова их структура и как изменение одного нуклеотида может повлиять на выживание организма?
Нуклеотид - это в биологии... (определение)
ДНК человека состоит из нуклеотидов, которые в основном представляют собой субэлементное измерение ДНК, выстраиваемое парами. Есть около 3 миллиардов этих пар, также называемых парами оснований. Какое можно дать определение нуклеотиду? Каждый сперматозоид и каждая яйцеклетка содержат примерно шесть миллиардов отдельных нуклеотидов в своем ядре, которые организованы в компактные молекулы ДНК. Это облегчает их хранение и перемещение.
Итак, что такое нуклеотиды? Они действуют как особый язык, который используется для написания рецептов химических веществ, создаваемых вашим организмом, в частности белков. Большинство участков нуклеотидов называют нежелательной ДНК, потому что они ничего не кодируют. Тем не менее есть небольшая доля, которая имеет решающее значение для вашего выживания и делает вас такими, какие вы есть. Этот 2 % кода нуклеотидов для каждого белка, который ваш организм производит и имеет на участках ДНК, называемых генами. Каждый ген кодирует цепь аминокислот, которая приводит к образованию определенного белка.
Мутации, которые являются изменениями в ДНК-клетки, с участием одного нуклеотида, могут показаться тривиальными, учитывая, что в геноме человека так много нуклеотидов, но, когда они происходят на определенных генах, они могут привести к опасным для жизни заболеваниям. Чтобы лучше понять этот механизм, нужно сначала взглянуть на некоторые основы нуклеотидов.
Структура нуклеотидов
Нуклеотиды представляют собой мономеры (или строительные блоки) нуклеиновых кислот и состоят из 5-углеродного сахара, фосфатной группы и азотистого основания. Как уже было сказано, сахар и основание вместе образуют нуклеозид. Добавление фосфатной группы превращает молекулу в нуклеотид. Нуклеотиды называются в соответствии с азотистым основанием, которое они содержат, и сахаром, присоединенным к нему (например, дезоксирибозой в ДНК-нуклеотидах и рибозе в РНК). Какие нуклеотиды в ДНК и РНК? Всего существует восемь различных нуклеозидов в ДНК и РНК:
- РНК: аденозин, гуанозин, цитидин, уридин.
- ДНК: дезоксиаденозин, дезоксигуанозин, деоксицитидин, дезокситимидин.
Существуют и другие важные нуклеотиды, такие как те, которые участвуют в метаболизме (например, АТФ) и клеточной передаче сигналов (например, ГТФ).
Связывание нуклеотидов
Для создания цепей полимера (или нескольких единиц), которые приводят к образованию РНК и ДНК, нуклеотиды соединяются друг с другом через сахарофосфатный скелет, который образуется, когда фосфат одного нуклеотида присоединяется к сахару другого. Это возможно благодаря сильным ковалентным связям, называемым фосфодиэфирными связями.
Поскольку ДНК представляет собой двухцепочечную молекулу, две из этих полимерных цепей должны присоединяться друг к другу, как лестница. «Ступеньки» состоят из пар нуклеотидов, которые соединяют две стороны лестницы с помощью водородных связей. Что такое нуклеотид? Это структурная единица ДНК, которая состоит из азотистого основания и сахар-фосфатной основной цепи, состоящей из фосфатной группы и сахара. ДНК состоит из многих нуклеотидов, которые содержат и защищают генетические коды организма.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, которые наряду с белками играют важную роль в клетках всех живых организмов. Эти соединения ответственны за хранение, передачу и реализацию наследственной информации. Что такое нуклеотиды? Это мономеры нуклеиновых кислот.
Между частями нуклеотида возникают ковалентные химические связи, которые образуются в результате реакций конденсации. Такие реакции являются обратными гидролизу. Интересным фактом является то, что молекулы ДНК обычно не только длиннее, чем молекулы РНК, но и включают в себя две цепочки, которые соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями.
