Лекция 28 - Нуклеиновые кислоты, нуклеозиды, нуклеотиды

Лекция 27_12
 Нуклеозиды, нуклеотиды, нуклеиновые кислоты
Исходный уровень к лекции 27_12
– гидрокси- и аминопроизводные пиримидина и
пурина (лекция 26_11)
Исходный уровень к лекции 28_13
– Высшие жирные карбоновые кислоты, жиры
(школьный курс)
1
Нуклеозиды, нуклеотиды,
нуклеиновые кислоты
● Нуклеиновые кислоты и их структурные компоненты
● Нуклеозиды и нуклеотиды
○ Нуклеиновые основания
○ Строение нуклеозидов
o Рибонуклеозиды
o Дезоксирибонуклеозиды
o Минорные нуклеозиды
o Нуклеотиды
● Нуклеиновые кислоты
○ Первичная структура нуклеиновых кислот
○ Вторичная структура ДНК
● Нуклеозидполифосфаты
● Приложение
2
Нуклеиновые кислоты и их структурные компоненты
 Нуклеиновые кислоты (НК) ─ высокомолекулярные соединения
(биополимеры), состоящие из мономерных звеньев – нуклеотидов.
– в связи с этим НК называют также полинуклеотидами
Нуклеиновые кислоты
Рибонуклеиновые
(РНК)
Дезоксирибонуклеиновые
(ДНК)
↓
↓
урацил,
цитозин, аденин, гуанин
тимин,
цитозин, аденин, гуанин
 Мономерное звено НК, нуклеотид, включает остатки трех
классов соединений ─ азотистого основания, углевода и H3PO4.
 Основные функции НК ─ ДНК обеспечивает сохранение
информации; РНК принимает участие в биосинтезе белка.
3
Нуклеозиды и нуклеотиды
 Нуклеозиды ─ N-гликозиды рибозы или дезоксирибозы,
агликонами в которых являются нуклеиновые основания.
o Агликон – несахарная часть гликозида.
Общая структура нуклеозидов
HOCH2
O
OH
5'
N
HOCH2
O
1'
4'
3'
OH R
гетероциклическое
основание
N-гликозидная
связь
2'
OH R
 Природные нуклеозиды ─ всегда -аномеры.
4
Нуклеиновые основания
– входящие в состав нуклеиновых кислот гетероциклические
соединения пуринового и пиримидинового рядов
Наиболее важные нуклеиновые пиримидиновые основания
─ урацил, тимин, цитозин
O
O
4 3
5
6
N
H
CH3
NH2
N
H
N
2
1
N
N
O
O
N
H
H
O
H
Наиболее важные нуклеиновые пуриновые основания
─ аденин, гуанин
NH2
H
6
1
N
5
O
7
N
8
2
N
3
4
N9
H
N
H N
H2N
N
N
H
5
Строение природных нуклеозидов
– остаток рибозы или дезоксирибозы всегда в фуранозной форме;
– гликозидная связь всегда -гликозидная связь;
– гликозидная связь осуществляется с участием атома N-1
пиримидинового или N-9 пуринового основания.
O
4 3
5
6
5'
HOCH2
N
1
N
O
1'
4'
3'
2'
OH OH
7
N
H
8
2
O
5'
HOCH2
1'
4'
3'
6
1
4
H
N
9
N
O
5
NH2
2
N
3
2'
OH
6
Рибонуклеозиды
NH2
O
4 3
5
N
6
5'
HOCH2
1
N
2
N
O
H
O
HOCH2
N
O
O
1'
4'
3'
2'
OH OH
OH OH
7
N
8
5'
HOCH2
1'
4'
3'
6
4
O
1
H
N
N
9
N
O
5
NH2
2
N
3
HOCH2
O
N
N H
N
NH2
2'
OH OH
OH OH
7
Дезоксибонуклеозиды
NH2
O
CH3
4 3
5
N
6
5'
HOCH2
1
N
2
N
O
H
O
HOCH2
N
O
O
1'
4'
3'
2'
OH
OH
7
N
8
5'
HOCH2
1'
4'
3'
OH
1
4
O
H
N
N
9
N
O
5
6
NH2
2
N
3
HOCH2
O
N
N H
N
NH2
2'
OH
8
Минорные нуклеозиды
O
H
N
N
H
урацил
5'
HOCH2
O
O
4'
3'
2'
1'
C-гликозидная
связь
OH OH
7
N
8
5'
HOCH2
1'
4'
3'
2'
NH2
1
4
N
H
N H
N
HOCH2
9
N
O
5
6
O
N
3
2
CH3
O
N
N
OH OH
OH
9
Нуклеотиды
– продукты частичного гидролиза нуклеиновых кислот
(или полученные в результате синтеза)
 Нуклеотиды ─ фосфаты нуклеозидов.
– нуклеотиды можно также рассматривать как кислые эфиры
фосфорной кислоты
O
HO P OR
OH
H
O
O P OR
OH
H
O
O P OR
O
R – остаток нуклеозида
 Нуклеотиды ─ двухосновные кислоты; в физиологических
условиях (рН 7) находятся в полностью ионизированном
состоянии.
10
Принцип строения мононуклеотидов
O
4 3
5
O
5'
HO P OCH2
OH
4'
6
1
N
O
3'
N
2'
OH OH
1'
7
H
2
N
O
O
8
5'
HO P HOCH2
OH
4'
3'
6
1
4
H
N
9
N
O
5
NH2
2
N
3
2'
1'
OH
11
Примеры нуклеотидов *
O
4 3
5
O
6
5'
HO P OCH2
OH
4'
O
1
N
O
3'
N
2'
HO P OH OH
OH
1'
O
H
N
2
O
O
O
HO P O P OCH2
OH OH
O
N
N H
N
NH2
OH
* Наиболее важные нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых
кислот, и их названия приведены в Приложении.
12
Циклофосфаты нуклеозидов
Высокоэнергетические циклические нуклеотиды
O
NH2
N
5'
O CH2
N
N
O
H 2N
5'
O CH2
O
N
N
O
3'
O P
N
HN
N
3'
OH
O
O P
O
OH
O
 Циклофосфаты –
13
Нуклеиновые кислоты
 Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) ─ полинуклеотиды,
состоящие из дезоксирибонуклеотидов, ковалентно связанных
между собой через фосфатную группу.
 ДНК содержатся, главным образом, в ядрах клеток и играют
основную роль в передаче наследственных признаков.
 Рибонуклеиновые кислоты (РНК) ─ полинуклеотиды,
состоящие из рибонуклеотидов, ковалентно связанных между
собой через фосфатную группу.
 РНК содержатся преимущественно в рибосомах и протоплазме
клеток и участвуют в процессе биосинтеза белка.
 Основные виды РНК:
• матричные (мРНК);
• рибосомные (рРНК);
• транспортные (тРНК).
14
Первичная структура нуклеиновых кислот
(нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность)
NH2
N
5'
—OCH2
5'-конец
N
A
9
N
O
3'
1'
NH2
OH
фосфат
N
1
O P O—CH2 O
3'
N
C
пентоза
O
O
1'
O
5'
O P—O CH2
OH
основание
N
O
5'
пентоза
N
N
N
O
3'
G
O
CH3
N
1
5'
O P O—CH2 O
OH
пентоза
3'
O
O P—
OH
основание
NH2
N
1'
O
фосфат
H
9
основание
N
1'
фосфат
H
T
пентоза
основание
O
фосфат
3'-конец
15
 Нуклеиновые кислоты — гетерополимеры
(синтетически могут быть получены гомополимерные НК,
например полиадениловая кислота)
 Фосфодиэфирные группировки (фосфодиэфирные связи).
NH2
N
N
O
C
O
3'
O
O
N
N
5'
3',5'-фосфодиэфирные
связи
O
P— O CH2
HO
O
N
N
H
G
NH2
3'
16
Вторичная структура ДНК
(пространственная организация полинуклеотидной цепи)
• Двойная спираль ДНК (Дж. Уотсон, Ф. Крик, 1953)
— две полинуклеотидные цепи, правозакрученные вокруг общей оси
с образованием двойной спирали (диаметр 1.8—2.0 нм);
• Полинуклеотидные цепи антипараллельны
— направления образования фосфодиэфирных связей в них
противоположны (в одной цепи 5'–3', в другой — 3'–5');
• Нуклеиновые основания (комплементарные пары) направлены
внутрь спирали
— водородные связи образованы между пуриновыми основаниями
одной цепи и пиримидиновыми основаниями другой цепи;
• Обе цепи ДНК связаны между собой нековалентными
взаимодействиями (денатурация разрушает)
 Н-связи между комплементарными основаниями – один из
видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль.
17
Стэкинг-взаимодействие
– фактор, наряду с Н-связями стабилизирующий двойную
спираль ДНК и спиралевидные участки РНК
 Стекинг-взаимодействие ─
Н
О
О
О
О
Н
18
Двойная спираль ДНК
 расстояние между плоскостями оснований
 на каждый виток спирали ─
19
Комплементарность полинуклеотидных цепей
и двойной спирали ДНК
O
5'
P
Ade
..........
..........
3'
O
3'
O
5'
Cyt
..........
...........
..........
5'
Thy
3'
Gua
P
O
5'
P
Thy
..........
..........
3'
Ade
3'
O
5'
3'
5'
O
3'
3'
O
P
5'
O
..........
Gua ...........
.......... Cyt
P
P
5'
20
Комплементарные пары нуклеиновых оснований
1.08 нм
1.11 нм
H
H
H3C
O
NH
N
к цепи
O
N H
N
H N
N
N
N
к цепи
N
N
O
N
H N
N
N
к цепи
O
к цепи
H N
H
Правила Чаргаффа
• Количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых
оснований;
• Количество аденина равно количеству тимина;
количество гуанина равно количеству цитозина;
• Сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина.
21
Нарушение комплементарных взаимодействий в молекуле ДНК
─ причина мутаций
 Мутации ─ изменение нуклеотидной последовательности
ДНК под действием различных факторов.
Действие химических факторов или излучения
NH2
6
N
O
N
H
HNO2
6
N
9
N
N
R
N
9
N
N
R
 В результате может иметь место замена в ДНК обычной
комплементарной пары аденин–тимин на «аномальную»
пару гипоксантин–цитозин.
22
Образование «аномальных» комплементарных пар
за счет сдвига лактим-лактамного равновесия
О
СН3
N
H
N
N
N
N
O
к цепи А
N
O
H
H
к цепи Б
N
H
 В результате происходит замена обычной пары тимин–аденин
на «аномальную» пару тимин–гуанин, что в итоге приводит при
передаче генетического кода с ДНК на РНК к изменению аминокислотной последовательности в синтезируемом белке.
23
Нуклеозидполифосфаты
Взаимопревращения фосфатов аденозина
NH2
N
O
HO-P-OCH2
O
OH
N
N
N
O
O
HO-P-O-P-OCH2
O
OH OH
+ H3PO4
Ade
- H3PO4
OH OH
OH OH
O
+ H3PO4
- H3PO4
O
O
HO-P-O-P-O-P-OCH2
O
OH OH OH
Ade
OH OH
24
Аденозин-5’-трифосфат АТФ
– энергетическая валюта в биологии
NH2
N
O
O
O
HO—P
OPOP—O CH2
OH
OH
N
N
N
O
OH
OH
OH
первичный источник энергии для многих биологических реакций
25
Гидролиз АТФ по стадиям
АТФ + Н2О
АДФ + Фн
Go' –30.5 кДж/моль
АДФ + Н2О
АМФ + Фн
Go' –30.0 кДж/моль
АМФ + Н2О
Аденозин + Фн
Go' –14.0 кДж/моль
 АТФ и АДФ – богатые энергией, макроэргические соединения.
26
Схема, при помощи которой экзэргоническая реакция
заставляет идти эндэргонический процесс
1. Синтез сложного эфира
RCOOH + HO—R'
RCOOR' + H2O
Go' =16.8 кДж/моль
2. Гидролиз АТФ до АМФ и дифосфата
АТФ + H2O
Go' =–30.0 кДж/моль
АМФ + Фн—Фн
Сопряжение двух реакций посредством
общего промежуточного продукта
RCOOH + АТФ
RCO—АМФ
RCO—АМФ
+ HO—R'
+ Фн—Фн
Go' =10.5 кДж/моль
RCOOR' + АМФ Go' =–23.7 кДж/моль
RCOOH + HO—R' + АТФ
RCOOR' + АМФ + Фн—Фн
Go' =–13.2 кДж/моль
27
Участие АТФ в переносе ацильных групп
 Перевод карбоновых кислот в ангидридную форму составляет
химическую основу активации жирных кислот, аминокислот, желчных
кислот, необходимой для участия их в последующих превращениях.
Промежуточное образование ацилфосфата
при превращении глутаминовой кислоты в глутамин
NH3+
NH3+
O
-OOCCHCH CH CO- +
2
2
АТФ
O
O
-OOCCHCH CH CO
PO- +
2
2
-
АДФ
O
NH3+
O
O
-OOCCHCH CH CO
PO- +
2
2
-
O
..
NH3
NH3+
O
O
-OOCCHCH CH CNH + -OPO2
2
2
O-
28
Промежуточное образование ациладенилатов
– смешанных ангидридов карбоновых кислот и АТФ –
важная стадия при биосинтезе белка
O
O
O
OPO POPOCH2
O
O- O- ORCHCOO- +
NH3+
-
Ade
OH OH
O
O
RCHCOPOCH2
O
NH3+
O-
Ade
O
O
+ -OPO POO- O-
OH OH
 Активированная -аминокислота далее взаимодействует с
транспортной РНК, которая транспортирует связавшуюся с ней
-аминокислоту в рибосому, т. е. к месту синтеза белка.
29
Ацилкоферменты – переносчики ацильных групп
Кофермент А (CoASH)
NH2
O
O
CH3
O
N
O
HSCH2CH2NHCCH2CH2NHCCHCCH2
OPO POCH2
N
O
OH CH3
OH OH
HO
PO
HO
O
N
N
OH
Ацетилкофермент А
CH3-C
O
S-CoA
+
Nu
H+
CH3C
O
Nu
+ HS-CoA
 С помощью ацетилкофермента А осуществляется ацетилирование
гидроксилсодержащих соединений, в частности, холин превращается
в ацетилхолин.
30
Использование АТФ для получения S-аденозилметионина (SAM)
─ переносчика метильных групп в организме
Синтез S-аденозилметионина
O
–O
P
O–
O
O
P
O–
O
O
P
O
+
CH2
O–
Ade
O
+ CH3
S
CH2CH2CHCOO–
NH3
OH
–OOCCHCH
2CH2
OH
CH3
S CH2
Ade
O
O
+
NH3
–O
P
O–
OH
O
O
P
O–
O
O
P
O–
O–
OH
31
Метилирование коламина
NH2
CH3
OOCCHCH CH S+CH
2
2
2
N
O
N
N
N
OH OH
..
HOCH2CH2NH2 + CH3
+
S-CH2CH2CHCOOH
Ado
NH2
CH3
+
HOCH2CH2N-CH3 +
CH3
HOCH2CH2NH-CH3
Ado-S-CH2CH2CHCOOH
NH2
32
Никотинамидадениндинуклеотиды
– коферменты в окислительно-восстановительных реакциях
NH2
N
N
N
CH2
O
OH
CH2
O
2'
P=O
N
N
O
HO
N
N
N
O
NH2
HO
2'
P=O
OR
OH
O
OR
O
H
H
HO
P=O
O
C(O)NH2
+
N
CH2
O
OH
HO
P=O
O
C(O)NH2
N
CH2
O
OH
OH
OH
33
Примеры биохимических реакций
с участием системы НАД+ – НАДН
•
окисление спиртов до альдегидов и кетонов
+ HАД+
R CH2 OH
- НАДН ; - Н+
НАД+
НАД+
+
субстрат
Н
+
Н
C
OH
O
R C ; R CH
OH
H
Н
+ HАД+
R'
R
+
- НАДН ; - Н
НАДН +
НАДН
+
субстрат
C
O
C
R'
O
+ Н+
+
H+
34
Приложение
(справочный и дополнительный материал)
Наиболее важные нуклеотиды,
входящие в состав нуклеиновых кислот, и их названия
Название нуклеотидов
как фосфатов
как кислот
Сокращенное
название
Аденозин-5'-фосфат
5'-Адениловая кислота
AMP (АМФ)
Гуанозин-5'-фосфат
5'-Гуаниловая кислота
GMP (ГМФ)
Цитидин-5'-фосфат
5'-Цитидиловая кислота
CMP (ЦМФ)
Уридин-5'-фосфат
5'-Уридиловая кислота
UMP (УМФ)
Дезоксиаденозин-5'-фосфат
5'-Дезоксиадениловая
кислота
5'-Дезоксигуаниловая
кислота
5'-Дезоксицитидиловая
кислота
5'-Тимидиловая кислота
dAMP
Дезоксигуанозин-5'-фосфат
Дезоксицитидин-5'-фосфат
Тимидин-5'-фосфат
dGMP
dCMP
dTMP
35
Лекарственные препараты – производные нуклеозидов
O
CH3
HOCH2
H
H
O
N3
H
N
N
H
Противовирусное средство
(лечение и профилактика
ВИЧ-инфекции)
O
H
H
азидотимидин
NH2
N
HOCH2
H
H
O
N
N
N
H
H
H
OH
кордицепин
Содержится в грибе кордицепс, паразитирующем на насекомых;
подавляет неконтролируемый рост и деление клеток.
36