Углеводы. Текст_Углеводы_Нукл_кислоты. I. углеводы
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
Олигонуклеотидами называют соединения, в которых несколь- ко нуклеозидов (до 20) соединены между собой фосфодиэфирными связями. Нуклеозид со свободной 5-OH-групой называется 5-концевым, а со свободной 3-OH-групой 3-концевым. Полинуклеотиды представляют собой линейные гетерополиме- ры, также состоящие из последовательности мононуклеозидных единиц, соединенных фосфатным мостиком. Полинуклеотиды, состоящие из ковалентно связанных между собой остатков дезоксирибонуклеозидов, называются дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК), а полинуклеотиды, состоящие из остатков рибонуклеозидов рибонуклеиновыми кислотами (РНК). В обоих случаях мононуклеозиды связаны между собой при помощи фосфодиэфирных мостиков, соединяющих 3-положение одного мононуклеотида с 5-положением его соседа. Нуклеиновые кислоты также различаются и по составу входящих в них гетероциклических оснований: урацил входит только в состав РНК, а тимин только в состав ДНК. Аденин, цитозин и гуанин являются постоянными компонентами полинуклеотидов. Молекулярная масса ДНК достигает десятков миллионов. Это самые длинные из известных макромолекул. Значительно меньше молекулярная масса РНК (от нескольких сотен до десятков тысяч). ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК в рибосомах и протоплазме клеток. 3.3.1. Первичная структура нуклеиновых кислот. Первичная структура нуклеиновых кислот это нуклеотидный состав и определенная последовательность нуклеотидных звеньев в полимерной цепи. Фрагменты полинуклеотидных цепей ДНК и РНК представлены на рис. 1. Для записи первичной структуры ДНК и РНК используют однобуквенные обозначения нуклеозидов. Приведенные на рис 1. фрагменты ДНК и РНК записывают соответственно: d(A-C-G-T) и (A-C-G-U). Часто букву d опускают, если речь идет о ДНК. 91 A С G Т O CH 2 H O H H H H P OH O N N H O O CH 3 O CH 2 H O H H H H C N NH N N O NH 2 OH P O O N N NH 2 O O CH 2 H O H H H H OH P O O O CH 2 O H O H H H H N N N N NH 2 P OH O OH P O O 5' 5' 5' 5' 3' 3' 3' 3' A С G U 5' 5' 5' 5' 3' 3' 3' 3' O CH 2 OH O H H H H P OH O O CH 2 OH O H H H H C N NH N N O NH 2 OH P O O N N NH 2 O O CH 2 OH O H H H H OH P O O O CH 2 O OH O H H H H N N N N NH 2 P OH O OH P O O N NH O O ДНК РНК Рис. 1. Первичная структура цепи ДНК и РНК. 92 Нуклеотидный состав ДНК различного происхождения находится в соответствии с правилами Э. Чаргаффа: 1) Все ДНК независимо от их происхождения содержат одинаковое число пуриновых и пиримидиновых оснований. Следовательно, в любой ДНК на каждый пуриновый нуклеотид приходится один пиримидиновый. 2) Любая ДНК всегда содержит в равных количествах попарно аденин и тимин, гуанин и цитозин, что обычно обозначают как А = Т и G = C. 3) Количество оснований, содержащих аминогруппы в положении 4 пиримидинового ядра и 6 пуринового (цитозин и аденин), равно количеству оснований, содержащих оксо-группу в тех же положениях (гуанин и тимин), т. е. A + C=G + T. Наряду с этим было установлено, что для каждого типа ДНК суммарное содержание гуанина и цитозина не равно суммарному содержанию аденина и тимина, т. е. что (G + C)/(A + T), как правило, отличается от единицы (может быть как больше, так и меньше ее). По этому признаку различают два основных типа ДНК: А-Т-тип с преимущественным содержанием аденина и тимина и G-C-тип с преимущественным содержанием гуанина и цитозина. Для РНК правила Чаргаффа либо не выполняются, либо выполняются с большим приближением. 3.3.2. Вторичная структура нуклеиновых кислот. Под вторичной структурой нуклеиновых кислот понимают пространственно упорядоченные формы полинуклеотидных цепей. Вторичная структура ДНК представляет собой две параллельные неразветвленные полинуклеотидные цепи, закрученные вокруг общей оси в двойную спираль (рис. 2). 93 Рис. 2. Вторичная структура ДНК. Такая пространственная структура удерживается множеством водородных связей, образуемых азотистыми основаниями, направ- ленными внутрь спирали. Эти основания составляют компле- ментарные пары (от лат. complementum дополнение). Образование водородных связей между комплементарными парами оснований обусловлено их пространственным соответствием. Так, пиримидино- вое основание комплементарно пуриновому: N N O O CH 3 H остаток тимина (Т) N N N N N H H остаток аденина (А) N N N O H H остаток цитозина (C) N N N N O N H H H остаток гуанина (G) 94 Водородные связи между другими парами оснований не возникают по пространственным причинам. Таким образом, в ДНК: ТИМИН (Т) комплементарен АДЕНИНУ (А) ЦИТОЗИН (C) комплементарен ГУАНИНУ (G) Комплементарность оснований определяет комплементарность цепей в молекулах ДНК. Водородные связи возникают между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи. Иными словами, пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримидиновые основания тимин и цитозин в другой цепи. Таким образом, полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой: В сдвоенной молекуле ДНК суммарно число групп Аравно числу групп Т, а число групп G числу C. Комплементарность полинуклеотидных цепей служит химичес- кой основой главной функции ДНК хранения и передачи наследственных признаков. Способность ДНК не только хранить, но и использовать генетическую информацию определяется следую- щими ее свойствами: 1) Молекулы ДНК способны к репликации (удвоению), т.е. могут обеспечить возможность синтеза других молекул ДНК, идентичных исходным, поскольку последовательность оснований в одной из цепей двойной спирали контролирует их расположение в другой цепи; 2) Молекулы ДНК могут совершенно точным и определенным образом направлять синтез белков, специфичных для организмов данного вида. Вторичная структура РНК. В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы (рис. 3.), т.к. вторичная структура РНК зависит от их биологических функций. Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК. Комплементарными парами в РНК являются цитозин-гуанин и урацил-аденин. 95 Рис. 3. Вторичная структура РНК. Основная роль РНК непосредственное участие в биосинтезе белка. Известны три вида клеточных РНК, которые отличаются по местоположению в клетке, составу, размерам и свойствам, определяющим их специфическую роль в образовании белковых макромолекул: 1) Информационные (матричные) РНК передают закодированную в ДНК информацию о структуре белка от ядра клетки к рибосомам, где и осуществляется синтез белка; 2) Транспортные РНК собирают аминокислоты в цитоплазме клетки и переносят их в рибосому; молекулы РНК этого типа "узнают" по соответствующим участкам цепи информационной РНК, какие аминокислоты должны участвовать в синтезе белка; 3) Рибосомные РНК обеспечивают синтез белка определенного строения, считывая информацию с информационной (матричной) РНК. 3.3.3. Химические свойства нуклеиновых кислот. ДНК и РНК имеют много общих химических и физических свойств. Так, нуклеиновые кислоты хорошо растворимы в воде и плохо растворяются в водных растворах кислот. Существенные различия ДНК и РНК связаны, в основном, с их отношением к гидролизу. 96 3.3.3.1. Гидролиз в кислой среде. Мягкий кислотный гидролиз ДНК оказывает весьма избиратель- ное действие: он приводит к расщеплению N-гликозидных связей между пуриновыми основаниями и дезоксирибозой, связи пиримидин-дезоксирибоза при этом не затрагиваются. В результате образуется ДНК, лишенная пуриновых оснований. Гидролиз РНК, проводимый в аналогичных условиях, приводит к образованию пуриновых оснований и пиримидиновых нуклеозид-2'(3')-фосфатов. Кислотный гидролиз в жестких условиях, приводит к разрыву всех N-гликозидных связей как ДНК, так и РНК и образованию смеси пуриновых и пиримидиновых оснований. 3.3.3.2. Гидролиз в щелочной среде. В щелочной РНК легко гидролизуются до нуклеотидов, которые в свою очередь, расщепляются с образованием нуклеозидов и остатков фосфорной кислоты. ДНК, в отличие от РНК, устойчивы к щелочному гидролизу. 3.3.3.3. Ферментативный гидролиз. Гидролиз ДНК и РНК также протекает и при участии специфических ферментов нуклеаз. Эти ферменты избирательно действуют на 3- и 5-сложноэфирные связи. Так, фосфодиэстераза, выделенная из яда змей, расщепляет все 3-связи как в ДНК, так и в РНК с образованием нуклеозид-5-фосфатов. Фосфодиэстераза, выделенная из селезенки быка, наоборот, гидролизует только 5-связи и высвобождает только нуклеозид-3-фосфаты. Известны дезокси- рибонуклеазы, расщепляющие связи только между определенными парами мононуклеотидов их используют для направленного гидролиза РНК. Гидролиз ДНК И РНК проводят, в основном, для установления их нуклеотидного состава. Далее выделенные смеси анализируют с использованием хроматографических и спектральных методов анализа, а также электрофореза. Нуклеиновые кислоты часто бывают связаны со специфичными белками в очень крупные надмолекулярные нуклеопротеидные комплексы. Таковыми являются, например, рибосомы и вирусы. 97 Эталоны решения задач Задача №1 Составьте формулы нуклеозидов: 1) 2-дезоксиаденозин; 2) гуанозин. Решение. 1) Данный нуклеозид состоит из 2-дезокси--D-рибофуранозы и аденина, связанных N-гликозидной связью: O HOH 2 C H OH H H H H N N N N NH 2 аденин 2-дезокси--D-рибофураноза 2) Данный нуклеозид имеет в своем составе -D-рибофуранозу и гуанин: O HOH 2 C OH OH H H H H N NH N N O NH 2 гуанин -D-рибофураноза 98 Задача №2 Составьте структурную формулу мононуклеотида, брутто- формула которого C 9 H 14 N 3 O 8 P, и назовите его. Решение. Общая формула большинства мононуклеотидов имеет вид: O CH 2 O X OH H H H H P O OH O H Y где X H или OH, Y азотистое основание. Единственным гетероциклическим основанием, содержащим 3 атома азота, является цитозин C 4 H 5 N 3 O. Следовательно, на остатки пентозы и фосфорной кислоты приходится 7 атомов кислорода, из которых 3 входят в состав фосфатной группы (H 2 PO 3 ) и один участвует в образовании сложноэфирной связи между пентозой и фосфатом. Таким образом, оставшиеся 3 атома кислорода входят в состав пентозы и X = OH. Формула мононуклеотида: O CH 2 O OH OH H H H H P O OH O H N N NH 2 O Название: цитидин-5-фосфат или 5-цитидиловая кислота. 99 Задача №3 Для олигонуклеотида (фрагмента цепи ДНК) состава: 5-A-C-Т-3: 1) напишите структурную формулу и укажите составные части; 3) напишите формулу фрагмента цепи ДНК, комплементарного данному и обозначьте его при помощи однобуквенного кода; 4) укажите комплементарные пары гетероциклических оснований; 5) определите, какие таутомерные формы азотистых оснований участвуют в образовании комплементарных пар. Решение. 1) Данный олигонуклеотид имеет 5-концевую OH-группу у аденозина и 3-концевую OH-группу у тимидина. Формула заданного фрагмента ДНК имеет вид: A С Т 5' 3' O O CH 2 H OH H H H H N NH O O C H 3 N N NH 2 O O CH 2 H O H H H H OH P O O CH 2 H O H H H H OH P O O N N N N NH 2 OH 100 Составными частями данного олигонуклеотида являются фрагменты D-дезоксирибозы, фосфорной кислоты и гетероцикличес- ких оснований: аденина, цитозина и тимина. 2) Заданному фрагменту комплементарен участок цепи ДНК с обратным направлением нуклеозидов: 3-T-G-A-5: Т 3' 5' A G C N N H N N O N H 2 O O CH 2 H OH H H H H N N H O O CH 3 O CH 2 H O H H H H O H P O O CH 2 H O H H H H O H P O O N N N N NH 2 OH 4) Комплементарными парами являются аденин-тимин и цитозин- гуанин. 5) В образовании комплементарных пар азотистые основания участвуют в лактамной и аминной формах: 101 A С Т 5' 3' O O CH 2 H OH H H H H N N O O C H 3 N N NH 2 O O CH 2 H O H H H H OH P O O CH 2 H O H H H H OH P O O N N N N N H OH OH P O O H H Т 5' A 3' H C N N N N O NH O O CH 2 H OH H H H H N N O O CH 3 O CH 2 H O H H H H O H P O O CH 2 H O H H H H O H P O O N N N N NH OH H H H G Задача №4 Укажите продукты, образующиеся при действии фосфодиэсте- разы яда змей на фрагмент РНК состава 5-A-U-A-A-C-U-3. Решение. Фосфодиэстераза змеиного яда последовательно расщепляет сложноэфирные 3-связи в молекуле РНК с образованием нуклеозида (при отщеплении концевой 5-группы) и нуклеозид-5-фосфатов: 102 A U 5' O CH 2 OH O H H H H OH P O O CH 2 OH O H H H H OH P O O N N N N NH 2 OH N NH O O фермент разрыв сложно- эфирной 3'-связи нуклеозид нуклеозид- 5'-фосфат В результате ферментативного расщепления образуются: аденозин (1 молекула), аденозин-5-фосфат (2 молекулы), уридин-5- фосфат (2 молекулы) и цитидин-5-фосфат (1 молекула). Задача №5 Предложите способ, при помощи которого можно осуществить разложения РНК до гетероциклического основания пентозы и фосфат-аниона. Решение. В отличие от ДНК, РНК подвергается щелочному гидролизу с образованием сначала рибонуклеотидов, а затем рибонуклеозидов: РНК рибонуклеотиды рибонуклеозиды + PO 4 3 Дальнейшее разложение рибонуклеозидов с разрывом N-глико- зидной связи протекает уже в кислой среде: Рибонуклеозиды гетероциклические основания + D-рибоза H 2 O/OH H 2 O/OH H 2 O/H + 103 Вопросы для контроля усвоения темы 1. Какие гетероциклические основания входят в состав нуклеиновых кислот? Приведите их структурные формулы. 2. Что представляют собой углеводные фрагменты нуклеиновых кислот? Укажите их стереохимический параметр. 3. Что такое нуклеозиды? Приведите примеры. Какая химическая связь реализуется между фрагментами нуклеозидов? 4. Что такое мононуклеотиды? Приведите примеры. Какие химические связи реализуется между фрагментами нуклеотидов? 5. В каких положениях могут находиться фосфатные группы в рибонуклеотидах и дезоксирибонуклеотидах? 6. В каком состоянии находятся остатки фосфорной кислоты в нуклеотидах при физилогических условиях? 7. Что представляют собой нуклеозид-5-дифосфаты и нуклеозид- 5-трифосфаты? Какова их роль в жизнедеятельности организма? 8. Какие связи содержит трифосфатная группа АТФ? 9. Что такое динуклеотиды? Приведите примеры процессов, протекающих с участием НАД + , НАДН, ФАД и ФАДН 2 10. Что такое полинуклеотиды? В каких пределах варьирует их молекулярная масса? 11. Что понимают под первичной структурой нуклеиновых кислот? 12. В чем заключаются отличия в первичной структуре ДНК и РНК? 13. Что такое вторичная структура полинуклеотидов? Чем отличается вторичная структура ДНК и РНК? 14. Какой вид взаимодействия стабилизирует двойную спираль ДНК? 15. В какой форме азотистые основания участвуют в образовании комплементарных пар? 16. Почему гуанин не образует комплементарные пары с тимином и урацилом? 17. В чем заключается отличие химических свойств ДНК и РНК? 18. В чем заключается отличие в воздействии на ДНК и РНК фосфодиэстеразы, выделенной из яда змей и селезенки быка? 104 Задачи для самостоятельного решения 1. Составьте формулы нуклеозидов: dT, dG, dC, A, U, C. 2. Составьте формулы нуклеотидов: 5-AMP, 5-GMP, 5-dCMP, 3- UMP, 3-dTMP. 3. Составьте формулу фрагмента ДНК состава: 5-G-T-A-C-A-3. Подберите последовательность азотистых оснований, комплементар- ных данному ряду. 4. Составьте формулу фрагмента ДНК состава: 5-C-U-A-G-U-3. Подберите последовательность азотистых оснований, комплементар- ных данному ряду. 5. Проведите кислотный гидролиз тимидина и гуанозина. Назовите продукты. 6. Проведите ферментативный гидролиз уридин-5-фосфата при помощи 5-нуклеотидазы. 7. Укажите продукты, образующиеся при действии фосфодиэсте- разы, выделенной из селезенки быка, на фрагмент ДНК состава 5-С- Т-G-G-C-Т-3. 8. На рисунке приведены участки цепей полинуклеотидов, отражающих вторичную структуру нуклеиновой кислоты. а) определите, какой нуклеиновой кислоте ДНК или РНК принадлежат эти фрагменты; б) обозначьте последовательности нуклеотидов в обоих фрагментах при помощи однобуквенного кода; в) укажите комплементарные пары азотистых оснований; г) проведите кислотный гидролиз данных фрагментов в мягких и в жестких условиях. 105 N N N N O CH 2 O H H OH H NH H N N N N O CH 2 O H H O O P O O H H NH H N N N N O CH 2 O H H O O P O O H H NH H N N O O H CH 2 O H H O O P O O H C H 3 N N NH O CH 2 O H H O O P O O H H N N N N NH H CH 2 O H H O O P O O H O H N N NH O CH 2 O H H O O P O OH H N N NH O CH 2 O H H O O P O OH H N N NH O CH 2 O H H O O P O OH H N N N N NH H CH 2 O H H O O P O OH N N N N O CH 2 O H H O O P O OH H NH H N N O O H CH 3 CH 2 O H H OH OH |