Химия гетероциклы. Занятие 15 по дисциплине Биоорганическая химия для студентов i курса лечебного и стоматологического факультетов мимос

• Название: Занятие 15 по дисциплине Биоорганическая химия для студентов i курса лечебного и стоматологического факультетов мимос
• Анкор: Химия гетероциклы
• Дата: 28.12.2021
• Размер: 0.6 Mb.
• Имя файла: Zanyatie_15-1.docx
• Тип: Занятие; #320361

Занятие № 15 по дисциплине «Биоорганическая химия»

для студентов I курса лечебного и стоматологического факультетов МИМОС
Тема: Азотистые основания нуклеотидов и нуклеозидов. Молекулярные структуры РНК и ДНК. Строение нуклеопротеинов. Функциональные структуры оперона.

Список литературы

1. 
   Тюкавкина, Н. А. Биоорганическая химия / Н. А. Тюкавкина, Ю. И. Бауков, С. Э. Зурабян. – Москва : ГЭОТАР–Медиа, 2014. – 416 с. – ISBN 978–5–9704–2783–5. – URL: http://www.studmedlib.ru/book/ISBN9785970427835.html.– Текст: электронный
   
2. 
   Слесарев, В. И. Химия. Основы химии живого : учебник для вузов / В. И. Слесарев. - 7-е изд., испр. – Санкт-Петербург : Химиздат, 2017. - 784 с. : ил. - гриф. - ISBN 978-5-93808-283-0.
   
3. 
   Практикум по биоорганической химии : практикум / Е. И. Рябинина [и др.]; ФГБОУ ВО ВГМУ им. Н. Н. Бурденко, каф. химии. - Воронеж : Изд-во ВГМУ, 2018. - 49 с.– URL:http://lib1.vrngmu.ru:8090/MegaPro/Download/MObject/791. – Текст: электронный
   
4. 
   Общая и биоорганическая химия: учеб. пособие / Е.И. Рябинина, Е.Е. Зотова, Н.М. Овечкина [и др.]. – Москва: Изд-во ИНФРА-М, 2019. – 235 с. – URL: http://moodle.vsmaburdenko.ru/mod/folder/view.php?id=14317
   

Теория занятия
Нуклеиновые кислоты - это водорастворимые высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев - нуклеотидов. Поэтому их также называют полинуклеотидами.

Впервые они были обнаружены в 1869 году швейцарским врачом Ф.Мишером в ядрах погибших лейкоцитов, что и определило их название (от лат. nucleus = ядро).




Состав нуклеиновых кислот

1. Компоненты нуклеиновых кислот

Азотистые основания.

В состав нуклеиновых кислот входят гетероциклические основания пиримидинового ряда: урацил, тимин, цитозин и пуринового ряда: аденин и гуанин. Для удобства используют однобуквенные обозначения (символы гетероциклических оснований (русские или латинские):

Пиримидиновые основания



Пуриновые основания



В составе нуклеиновых кислот входят азотистые основания в лактам-форме, как наиболее стабильная форма



Углеводы.

Углеводным компонентом нуклеиновых кислот являются пентозы: D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Обе пентозы всегда находятся в фуранозной форме и имеют β-конфигурацию аномерного атома С-1 (в формулах нуклеотидов и нуклеозидов атомы углерода моносахаридов нумеруются цифрой со штрихом):



Фосфорная кислота.
Остатки фосфорной кислоты (H₃PO₄) входят в состав нуклеотидов и этерифицируют D-рибозу и 2-дезокси-D-рибозу в положениии 5. В этой связи нуклеотиды и полинуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как сложные эфиры нуклеозидов (фосфаты), а с другой - как кислоты.

2. Нуклеозиды

Взаимодействие азотистых оснований с пентозой приводит к образованию нуклеозида . Нуклеозиды, содержащие рибозу, называются рибонуклеозидами, а нуклеозиды, содержащие дезоксирибозу – дезоксирибонуклеозидами. Пентоза углеродным атомом в первом положении связывается N-гликозидной связью с атомом азота в 9 положении пурина или атомом азота в 1 положении пиримидина. Так, аденин, соединяясь с рибозой, образует аденозин, гуанин дает гуанозин, из цитозина образуется цитидин, из урацила – уридин, из тимина – тимидин.



цитозин + рибоза = цитидин;

цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин;

аденин + рибоза = аденозин;

аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.

Исключением является название тимидин, используемое для дезокситимидина, входящего в состав ДНК. В составе нуклеиновых кислот обнаруживаются только β-нуклеозиды.
Нуклеозиды ДНК

Название	Символ	Формула
Дезоксиаденозин	дА или dA
Тимидин	дТ или dT
Дезоксигуанозин	дГ или dG
Дезоксицитидин	дЦ или dC

Нуклеозиды РНК

Название	Символ	Формула
Аденозин	А
Гуанозин	Г или G
Уридин	У или U
Цитидин	Ц или C

Нуклеозиды значительно лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Подобно всем гликозидам, нуклеозиды устойчивы к действию щелочей, но при нагревании легко подвергаются кислотному гидролизу с разрывом гликозидной связи и образованием основания и пентозы:



Пиримидиновые нуклеозиды значительно более устойчивы к гидролизу, чем пуриновые. В условиях in vivo гидролиз обоих типов нуклеозидов осуществляется при помощи специфических ферментов, называемых нуклеозидазами.

Нуклеотиды

Нуклеотиды являются фосфорилированными нуклиозидами. Реакция этерификации между фосфорной кислотой и нуклеозидом обычно осуществляется при С-5 или С-3 атоме в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды). остаток фосфорной кислоты, то образуется аденозин-5'-дифосфат (АДФ).

Нуклеотиды, входящие в состав ДНК


Нуклеотиды, входящие в состав РНК


АМФ ГМФ УМФ ЦМФ


Нуклеиновые кислоты  это водорастворимые высокомолекулярные

с
Динуклеотид АМФ-УМФ

оединения, макромолекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев  нуклеотидов, поэтому их также называют полинуклеотидами. Мононуклеотиды связаны между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, соединяющих 3-положение одного мононуклеотида с 5-положением следующего мононуклеотида (связи 3^{! –} 5^! )

Структура нуклеиновых кислот

Первичная структура нуклеиновых кислот - порядок расположения мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи ДНК и РНК: связи -3’,5’‑фосфодиэфирные.
Структура ДНК

П ервичная - мононуклеотиды, связанные фосфодиэфирными связями (Нобелевская премия 1980 г. - определение последовательности оснований в НК)

Вторичная структура ДНК

Молекула ДНК - двойная спираль, образованная двумя полинуклеотидными цепями, ориентированными антипараллельно и связанными друг с другом водородными связями. Азотистые основания в молекуле ДНК расположены по принципу комплементарности: А взаимодействует только с Т, а Г с Ц, , связи водородные.

Пиримидиновое основание комплементарно пуриновому:

Между аденином и тимином образуются. А…Т две водородные связи, между гуанином и цитозином Г…Ц – три. В результате первичная структура одной полинуклеотидной цепи молекулы ДНК комплементарна первичной структуре другой цепи.

Молекула ДНК состоит из 2-х цепей, закрученных в правовращающуюся спираль вокруг одной и той же оси. Азотистые основания находятся внутри, а фосфорные и углеводные компоненты – снаружи.

Полинуклеотидные цепи ориентированы в противоположном направлении (антипараллельны). На одном конце спирали одна цепь имеет 5^/ - конец, другая 3^/ -конец.

 


Антипараллельность – это зеркальное перевернутое отражение.
Третичная структура ДНК

Молекула ДНК – полианион. ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы.

Суперспирализация обеспечивает экономную упаковку — вместо 8 см длины огромная молекула ДНК занимает 5 нм. Суперспирали соединяются с белками – гистонами с высоким содержанием диаминокарбоновых кислот лизина и аргинина (положительно заряженными). аминогруппы радикалов этих аминокислот взаимодействуют с кислотными группами ДНК (отртцательно заряженными). обеспечивающими стабильность ДНК.
Строение РНК

Рибонуклеиновая кислота (РНК) — биополимер, представляющий собой одну цепочку нуклеотидов. Мономеры (нуклеотиды) РНК состоят из пятиуглеродного сахара — рибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания.

Три азотистых основания в молекулах РНК такие же, как и у ДНК — аденин, гуанин, цитозин, а четвертым является урацил.

Гипотезу, что первичными нуклеиновыми кислотами были РНК подтверждает замена урацила в ДНК тимином, т.к. синтез урацила, энергетически выгоднее, чем тимина, так как не нужно делать лишнее метилирование. В отличие от ДНК, молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и не имеют строго определенной пространственной формы, т.к. вторичная структура РНК зависит от их биологических функций. Полимерная цепь РНК приблизительно в десять раз короче, чем у ДНК.
Виды РНК
Информационные РНК (иРНК) образуются в ядре на ДНК при участии фермента РНК-полимеразы. В клетке их содержание составляет приблизительно 5 % от всех РНК.

 Функция иРНК — передача информации с ДНК к месту сборки белковых молекул, на рибосомы.
Рибосомные РНК (рРНК) синтезируются в ядрышке и составляют основу рибосом, формируя активный центра рибосомы, в котором осуществляется биосинтез белка. рРНК составляют примерно 85 % всей РНК клетки.

 

Т ранспортные РНК (тРНК) тоже собираются в ядре, а затем перемещаются в цитоплазму. Они образованы небольшим количеством нуклеотидов (70–90). В клетке тРНК содержится примерно 10 %.

тРНК транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка на рибосоме. Каждый вид аминокислот переносится отдельным видом тРНК.

Строение всех тРНК сходно. За счёт водородных связей некоторые участки молекул соединяются и образуются структуры, похожие на лист клевера. Отличаются молекулы тРНК тремя нуклеотидами, расположенными «на верхушке» структуры. Этот триплет (антикодон) комплементарен кодону иРНК, кодирующему соответствующую аминокислоту.

 Аминокислота  прикрепляется специальным ферментом к «черешку листа» и транспортируется в активный центр рибосомы.тРНК транспортируют аминокислоты к месту синтеза белка на рибосоме. Каждый вид аминокислот переносится отдельным видом тРНК

Химические свойства нуклеиновых кислот.

1. 
   ДНК и РНК - нуклеиновые кислоты, кислоты, слабые, но кислоты 2) Молекулы нуклеиновых кислот содержат множество отрицательно заряженных фосфатных групп и образуют комплексы с ионами металлов; их калиевая и натриевая соли хорошо растворимы в воде.
   
2. 
   Концентрированные растворы нуклеиновых кислот вязкие и слегка опалесцируют, а в твердом виде эти вещества белые.
   
3. 
   Нуклеиновые кислоты сильно поглощают ультрафиолетовый свет, и это свойство лежит в основе определения концентрации. С этим же свойством связан и мутагенный эффект ультрафиолетового света.
   

Биологически активные нуклеотиды

1. 
   Цикломонофосфаты (цАМФ, цГМФ)- передают сигнал внутрь клетки
   
2. 
   Полифосфаты (аденозинтрифосфат АТФ, ГТФ, УТФ, ЦТФ ) – макроэргические соединения, которые обладают высокой энергией (активностью)
   
3. 
   Динуклеотиды (НАД, ФАД)- коферменты ферментов дегидрогеназ
   

Цикломонофосфаты
Существуют нуклеотиды, в которых фосфорная кислота одновременно этерифицирует две гидроксильные группы пентозного остатка с образованием устойчивого шестичленного цикла. В этой связи в их названиях используют приставку цикло-, например, циклоаденозин-монофосфат (cAMP) или циклогуанозинмонофосфат (cGMP). Эти два нуклеозидциклофосфата присутствуют практически во всех клетках живых организмов:


РОЛЬ циклических нуклеотидов: участвуют в регуляции процессов транспорта ионов через клеточные мембраны, в процессе распада углеводов и жиров.

Полифосфаты

А ТФ является универсальным источником энергии в клетке: энергия макроэргических связей АТФ используется для реакций обмена (ассимиляции), протекающих с затратой энергии. В клетке 1 молекула АТФ распадается в течение одной минуты после её образования. В состоянии полного покоя человек расходует за 24 часа 40 кг АТФ, а при физической нагрузке скорость утилизации АТФ возрастает до 0,5 кг в 1 минуту. Основным путем освобождения энергии АТФ:является её гидролиз до АДФ и фосфорной кислоты АТФ + Н2О АДФ + Р + энергия; ( Р – остаток фосфорной кислоты) При гидролизе макроэргической связи АТФ выделяется от 40 до 60 кДж/моль (в среднем 50 кДж/моль). Быстрый расход АТФ требует постоянного ресинтеза этого макроэрга в клетках.



Строение ГТФ



ГТФ играет роль как источник энергии   в биосинтезе белка.
Динуклеотиды (НАД, ФАД)- коферменты ферментов дегидрогеназ
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

путем дегидрирования путем присоединения

кислорода



( микросомальное окисление)

в аэробных в анаэробных

условиях условиях

акцептор водорода акцептор водорода

- кислород - пируват

(конечный продукт- (конечный продукт-

Н2О ) лактат)



Биологическая роль НАД и НАДФ - коферменты дегидрогеназ, участвующих в процессах окисления ряда субстратов путем переноса атомов водорода отокисляемого субстрата посредством дыхательной цепи митохондрий, на кислород и таким образом выполняют выполняют энергетическую функцию;

Флавинадениндинуклеотид (ФАД, FAD)

ФАД образуется из рибофлавина (витамина В2), многие оксидоредуктазы, называемые флавопротеинами, для своей работы используют ФАД как простетическую группу в реакциях переноса электронов.