Курс лекций по биоорганической химии. Курс лекций по биоорганической химии учебное пособие для студентов 1 курса очного обучения
 Скачать 4.37 Mb.
|
|
Ключевые слова Азотистое основание (аденин, гуанин, тимин, цитозин, урацил), антикодон, гистоновый белок, N- β-гликозидная связь, гипоксантин, двойная спираль, кодон, комплементарные пары, ксантин, макроэргическая связь, макроэргическое соединение, мочевая кислота, нуклеозид, нуклеотид, нуклеиновые кислоты( ДНК, иРНК, тРНК, рРНК), структура ДНК( первичная, вторичная), полинуклеотид, правило Чаргаффа, ураты. Ученые, занимавшиеся исследованием строения нуклеиновых кислот: Дж. Уотсон, Ф. Крик, Э. Чаргафф, Л. Полинг, М.Уилкинс. 11.1. Классификация нуклеиновых кислот, отличия в строении и составе как следствие различных биологических функций Непрерывность жизненных процессов связана с существованием особых макромолекулярных соединений –нуклеиновых кислот. Молекулярная масса этих гигантских молекул достигает 10 7 Д. Долгое время исследования физико-химических свойств и состава нуклеиновых кислот упирались в их неустойчивость invitro: существует утверждение, что цепь нуклеиновой кислоты разрывается даже при резком перемешивании раствора, в к котором она находится. Тем не менее, invivo такие легко разрушающиеся молекулы безукоризненно сохраняют и передают генетическую информацию у всех живых организмов. Нуклеиновые кислоты( НК ) включают в себя два класса : РНК- рибонуклеиновые кислоты ДНК – дезоксирибонуклеиновые кислоты Они отличаются биологическими функциями и химическим составом. В условиях invivo НК обязательно связаны с белками- образуют единый нуклеопротеидный комплекс. Последовательный гидролиз нуклеопротеинов можно представить схемой: Нуклеопротеин ——>нуклеиновая кислота + белок ↓ ОН– Нуклеотиды ↓ ОН– Нуклеозиды + Н3Р О4 ↓ Н+ Азотистые основания + пентоза Обратите внимание, гидролиз полинуклеотидов и нуклеотидов проходят в щелочной среде, а нуклеозидов – в кислой. Это связано с тем, что гидролизу подвергаются разные типы связей: при гидролизе полинуклеотидов и нуклеотидов- сложные фосфорноэфирные, а нуклеозидов- гликозидные. Гидролиз выявляет также различный состав ДНК и РНК : ДНК содержит азотистые основания - аденин(А), гуанин(Г), тимин (Т) и цитозин(Ц) и пентозу- 2-D- дезоксирибозу РНК содержит азотистые основания - аденин(А), гуанин(Г), урацил (У) и цитозин (Ц) и пентозу- D- рибозу Различают три вида РНК- информационную иРНК, транспортную тРНК, рибосомальную рРНК . Нуклеиновые кислоты – ДНК, иРНК. рРНК - представляют собой нуклеопротеины. 11.2. Азотистые основания нуклеиновых кислот Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными двух различных гетероароматических соединений: пиримидина и пурина. Производные пиримидина урацил, тимин, цитозин. Производные пурина : аденин, гуанин
( урацил, тимин, цитозин)  пиримидин Пиримидин!( 1,3 - диазин) – гетероароматическое соединение. слабое основание( оба атома азота сохраняют основные свойства) Производные пиримидина , содержащие в цикле гидрокси- и аминогруппы- входят в состав нуклеиновых кислот, и их называют пиримидиновые азотистые основания. К ним относятся урацил, тимин, цитозин. В клетке исходным соединением в синтезе пиримидиновых азотистых оснований является оротовая кислота–2,6–диоксопиримидин-4-карбоновая кислота.(4-карбоксиурацил). После декарбоксилирования в составе нуклеозида образуется урацил, а из него тимин( путем метилирования) и цитозин.  Оротовая кислота    Урацил Тимин Цитозин 2,4-диоксопиримидин 2,4- диоксо-5-метилпиримидин 2 –оксо -4-аминопиримидин Важным свойством пиримидиновых азотистых оснований является способность к лактим-лактамной таутомерии. На рисунках представлена лактамная форма, характерная для структуры нуклеиновых кислот.. Лактимная форма, в которой классическая ароматическая система( переход атомов водорода к атомам кислорода группы С=О восстанавливает ароматическую шести электронную систему в цикле), непригодна для нуклеиновых кислот по следующим обстоятельствам: 1). только в лактамной форме есть группа - N-H , которая участвует в образовании N- гликозидной связи. 2). В лактамной форме есть фрагмент - NH- С - , необходимый для образования связей || О в омплементарной ля образования связей в комплементарной паре в структкре ДНК называют пиримидиновые азотистые основани комплементарных парах в структуре ДНК и в комплементарных парах, которые возникают в процессах репликации, транскрипции и трансляции. Между урацилом и тимином имеются некоторые отличия: донорная метильная группа в тимине увеличивает электронную плотность в гетероциклической системе, снижает поляризацию связи -N -H ( снижает кислотность NH –кислотного центра) и способствует созданию менее полярной и более прочной гликозидной связи в ДНК . 11.2.2. Азотистые основания- производные пурина( аденин, гуанин)  пурин Пурин- конденсированное гетероароматическое соединение, в составе которого два гетероциклических соединения: пиримидин и имидазол. Обратите внимание на правило нумерации атомов. Атом водорода может занимать два положения : у атома N 9 и у атома N7 ( устанавливается равновесие между двумя изомерами) В составе нуклеиновых кислот ДНК и РНК обнаружены два соединения, производные пурина: аденин и гуанин.   аденин гуанин 6-аминопурин 2-амино-6-оксопурин Атом водорода в имидазольном цикле пурина и гуанина также может занимать положения N7 или N 9 , но нуклеиновых кислотах реализуется форма N9 –Н и с этим атомом образуется N9 - гликозидная связь в нуклеозидах. нуклеотидах и нуклеиновых кислотах. Гуанин может образовать две таутомерные формы: лактимную и лактамную , но вновь в составе нуклеиновых кислот гуанин существует в лактамной форме, которая обеспечивает образование комплементарной пары с цитозином. Незначительные изменения в строении азотистых оснований изменяет их биологическую роль и биологическую активность. Это обстоятельство используют при создании лекарственных препаратов., тормозящих образование нуклеиновых кислот в клетках микроорганизмов, которые инфицируют организм человека , или в раковых клетках, отличающихся высокой способностью к делению ( См. лекцию « Лекарственные препараты»). 11.3. Нуклеозиды Нуклеозидом называется N-β- гликозид, у которого агликон ( неуглеводная часть) является азотистым основанием , производным пиримидина или пурина. В зависимости от того, какой моносахарид входит в состав нуклеозида, их подразделяют на два вида - рибозиды и дезоксирибозиды. Нуклеозиды являются промежуточными соединениями в синтезе нуклеотидов, и в клетке в иных метаболических процессах не участвуют, но синтетические нуклеозиды нашли применение как лекарственные препараты. Они обладают меньшей токсичностью, чем входящий в их состав агликон( производное пиримидина или пурина), всасываются нуклеозиды лучше по сравнению со свободными азотистыми основаниями. Номенклатура. Нуклеозиды, содержащие в своем составе пиримидин, имеют в названии окончание - ин Нуклеозиды, содержащие в своем составе пурин , имеют в названии окончание - озин Обратите внимание на номенклатуру нуклеозидов, содержащих тимин. Тимин- основание ДНК , и если нуклеозид содержит дезоксирибозу, то в названии нуклеозида ( тимидин) не требуется подчеркивать химическую природу углевода. Если тимин связан с рибозой, что представляет собой нетипичную биологическую ситуацию, то в названии указывается название углевода ( тимидинрибозид или рибозид тимидина Наиболее распространенные нуклеозиды Тип связи - N-β- гликозидная
)    Уридин Тимидинрибозид Тимидин В природных нуклеозидах, содержащих аденин, гуанин , гипоксантин и другие пуриновые соединения, всегда образуется N9 -β- гликозидная связь   Аденозин Дезоксигуанозин На всех вышеприведенных рисунках показано реальное пространственное взаимное расположение углевода и азотистого основания: - поворот вокруг гликозидной связи затруднен. - расположение цикла пентозы влево от связи соответствует единственно правильному изображению β- гликозидной связит - карбонильные и аминогруппы циклов повернуты в противоположную сторону сторону от пентозы( так эти группы смогут участвовать в создании комплементарных пар) 11.4. Нуклеотиды Нуклеотиды- фосфорные эфиры нуклеозидов. Их химический состав: азотистое основание( А.О.) + пентоза + фосфорная кислота Фосфорные эфиры образуются с участием гидроксильных групп пентоз . Места положения фосфорноэфирных групп принято обозначать, используя обозначение ( ' ) , например: 5' , 3 ' Предварительная краткая информация: нуклеотиды играют чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности клетки. Классификация нуклеотидов Нуклеотиды, состоящие из одной молекулы А.О, пентозы, фосфорной кислоты, называются мононуклеотидами. Мононуклеотиды могут содержать одну молекулу фосфорной кислоты , две или три молекулы фосфорной кислоты, соединенных друг с другом. Комбинация из двух мононуклеотидов называется динуклеотидом. В составе динуклеотида обычно присутствуют разные азотистые основания или одно другое циклическое соединение, например, витамин.. Особую роль в биохимических процессах играют циклические мононуклеотиды. Номенклатура мононуклеотидов. К названию нуклеозида добавляют в зависимости от количества фосфатных остатков, « монофосфат », « дифосфат », « трифосфат », с указанием их места положения в цикле пентозы- цифровое обозначение места со значком ( ' ) , Положение фосфатной группы в положении (5') является наиболее распространенным и типичным, поэтому его можно не указывать ( АМФ, ГТФ, УТФ, дАМФ и т.д.) Остальные положения обозначаются обязательно ( 3'- АМФ, 2'- АМФ , 3'- дАМФ )  5'-аденозинмонофосфат (5'- АМФ или АМФ ) Названия наиболее распространенных нуклеотидов
Нуклеотиды, образованные с участием рибозы, могут содержать остатки фосфорной кислоты в трех положениях ( 5', 3', 2' ), а с участием дезоксирибозы – только в двух положениях (5', 3' ) , в положении 2' гидроксигруппа отсутствует.. Это обстоятельство очень важно для структуры ДНК. Отсутствие гидроксигруппы во втором положении имеет два важных последствия: - уменьшается поляризация гликозидной связи в ДНК и она становится более устойчивой к гидролизу. - 2-О-дезоксирибоза не может подвергаться ни эпимеризации, ни превращению в кетозу. В клетке происходит последовательное превращение нуклеозидмонофосфата в дифосфат, а затем в трифосфат . Для примера : АМФ ———> АДФ ———> АТФ Биологическая роль нуклеотидов Все нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты относятся к высокоэнергетическим (макроэргическим ) соединениям. Нуклеозидтрифосфаты участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, обеспечивают активацию биоорганических соединений и биохимические процессы, которые проходят с затратой энергии. Аденозинтрифосфат ( АТФ) является наиболее распространенным в организме человека макроэргическим соединением. Содержание АТФ в скелетных мышцах млекопитающих до 4г/ кг, общее содержание около 125 г. У человека скорость обмена АТФ достигает 50 кг/ сутки. При гидролизе АТФ образуется аденозиндифосфат ( АДФ)   Макроэргические связи В составе АТФ присутствуют разные типы химических связей: - N -β- гликозидная - сложноэфирная - две ангидридные( в биологическом отношении макроэргические) В условиях invivo гидролиз макроэргической связи АТФ сопровождается выделением энергии( около 35 кДж/ моль), которая обеспечивает другие энергозависимые биохимические процессы. АТФ + Н2О —фермент АТФгидролаза——> АДФ + Н3 РО4 В водных растворах АДФ и АТФ неустойчивы. При 00 С АТФ стабильна в воде всего несколько часов, а при кипячении в течение 10 мин. Под действием щелочи два концевых фосфата( ангидридные связи) гидролизуются легко, а последний( сложноэфирная связь) - трудно. При кислотном гидролизе N- гликозидная связь разрушается легко. Впервые АТФ выделена из мышц в 1929 г. К. Ломаном. Химический синтез осуществил в 1948 г. А. Тодд. Циклические нуклеотиды являются посредниками в передаче сигналов гормонов, изменяя в клетке активность ферментов. Они образуются из нуклеозидтрифосфатов. АТФ —фермент циклаза——> цАМФ + Н4 Р2 О7 После выполнения действия происходит гидролиз циклического нуклеотида. . Могут образоваться два соединения 5'- АМФ и 3' -АМФ, но в биологических условиях образуется только 5'-АМФ,  Циклический аденозинмонофосфат ( цАМФ) 11.5. Строение нуклеиновых кислот Первичная структура РНК и ДНК – последовательное соединение нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Скелет полинуклеотидной цепи состоит из углеводных и фосфатных остатков , с углеводами посредством N- β – гликозидной связи соединены гетероциклические азотистые основания. С биологической точки зрения важнейшее значение имеют триплеты- блоки нуклеотидов из трех азотистых оснований, каждый из которых кодирует какую-либо аминокислоту или имеет определенную сигнальную функцию. Структуру НК можно представить схематически : 5' 3' 5' 3' 5' 3' фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза -ОН | | | АО А О АО В первичной структуре ДНК начало цепи определяют по пентозе, содержащей фосфат в положении 5'. Пентозы в полинуклеотидной цепи соединяются посредством фосфатных связей 3 '→ 5'. На конце цепи в положении 3'- пентозы ОН- группа остается свободной. Структура ДНК высшего порядка- двойная спираль Научное описание вторичной структуры ДНК относится к величайшим открытиям человечества в ХХ веке. Биохимик Д. Уотсон и физик Ф. Крик в 1953 году предложили модель структуры ДНК и механизм процесса репликации. В 1962 г. им присуждена Нобелевская премия . В популярном виде история описана в книге Джеймса Уотсона « Двойная спираль», М.: Мир, 1973 . Книга весьма интересно описывает историю совместной работы , с юмором и легкой иронией автора к такому знаменательному событию, счастливыми «виновниками» которого были два молодых ученых . С момента открытия структуры ДНК человечество получило инструмент к развитию нового направления- биотехнологиям, синтезу белков путем рекомбинации генов ( гормоны в медицинской промышленности получают инсулин, эритропоэтин и многие другие ). Открытию структуры ДНК способствовали исследования Э. Чаргаффа в отношении химического состава ДНК. Он обнаружил: - количество пиримидиновых оснований равно количеству пуриновых - количество тимина равно количеству аденина, а количество цитозина количеству гуанина. |