Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты являются высокомолекулярными органическими соединениями. Существует два типа НК: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Эти соединения играют важную роль в биологических системах, начиная с вирусов и заканчивая клетками высших животных, участвуя в хранении (ДНК) и реализации(РНК) генетической информации.

Следует иметь ввиду, что одни НК не могут быть достаточно стабильными хранителями генетической информации, и тем более , одни они не в состоянии обеспечить перевод этой информации в конкретные биологические структуры: клетки, ткани, органы. Даже вирусы представляют собой комплекс НК и белков, т.е. нуклеопротеидный комплекс.

Молекулы НК являются самыми большими биологическими полимерами. Так молекулярная масса РНК может достигать
10 – 14 106 ,а молекулярная масса ДНК – 1010- 1011.
Длина такой молекулы ДНК может доходить до 8см при диаметре всего в 2 нм (соотношение длины молекулы и её диаметра приближается к 107).

Такая молекула крайне нестабильна и в отсутствии стабилизирующих её белков легко разламывается.
При всех своих гигантских размерах молекулы НК устроены сравнительно просто: они, подобно белкам, состоят из весьма ограниченного числа мономерных единиц, соединённых в длинные неразветвлённые полимерные цепи.

При полном гидролизе НК в гидролизате могут быть обнаружены соединения трёх типов: фосфорная кислота;
углевод ( рибоза или дезоксирибоза)
органические соединения; представляющие собой различные производные гетероциклов пурина или пиримидина.

На долю аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т)
приходится 99 -98% от общего их количества.
Эти основания получили название главных азотистых оснований ДНК.

Минорные азотистые основания
Минорные азотистые основания –это редко встречающиеся азотистые основания. Они составляют 1 -2% в составе ДНК и до 15% в составе РНК.
По своей химической природе они обычно являются метилированными или гидроксиметилированными производными главных азотистых оснований.

Минорные азотистые основания
NH2
N СН2ОН
O
NH 5-гидроксиметилцитозин

Азотистые основания пиримидинового или пуринового ряда, имеющие в своём составе кислород, могут существовать в двух формах: лактамной (оксо-форма) и лактимной (гидрокси-форма).
В составе НК азотистые основания всегда присутствуют в лактамной форме.

Лактим-лактамная таутомерия азотистых оснований

Нуклеозиды

Нуклеозиды

Нуклеотиды
Если к остатку моносахарида в нуклеозиде присоединён остаток фосфорной кислоты, то такая структура получила название мононуклеотида (нуклеотида)

Нуклеотиды

Нуклеотиды
Мононуклеотиды в клетках могут:
входить в состав НК;
функционировать самостоятельно, выступая или в качестве коферментов, или в качестве регуляторов обменных процессов. Так, АТФ- аденозинтрифосфорная кислота, выполняет в клетках роль переносчика энергии из реакций, идущих с выделением энергии, в реакции, идущих с поглощение энергии.

Нуклеотиды
Энергия временно аккумулируется в пирофосфатных связях молекулы АТФ.

Примером нуклеотида, выполняющего в клетках роль регулятора обменных процессов, является циклическая аденозинмонофосфорная кислота или цАМФ.
Циклические нуклеотиды участвуют в регуляции содержания ионов Мg2+ в организме.

цАМФ

цАМФ
В структуре цАМФ один остаток фосфорной кислоты соединён одновременно и с третьим(С3), и с пятым (С5) атомами углерода рибозы сложноэфирными связями.
Иногда в качестве коферментов выступают не мононуклеотиды, а их димеры. Типичным примером такого димера является НАД Н2/НАД+ -никотинамиддинуклеотид:

НАД Н2/НАД+

Первичная структура НК
В процессе образования полинуклеотида 2 мононуклеотида соединяются друг с другом за счёт взаимодействия остатка фосфорной кислоты одного мононуклеотида у С5 с гидроксильной группой у С3 –рибозы (или дезоксирибозы)
второго мононуклеотида:

Первичная структура НК

Первичная структура НК
После выделения молекулы воды 2 мононуклеотида оказываются соединёнными сложноэфирной связью между остатком фосфорной кислоты одного мононуклеотида и С3-рибозы другого. Такая связь часто называется фосфодиэфирной связью, поскольку остаток фосфорной кислоты образует 2 сложноэфирные связи-с остатком углевода своего мононуклеотида и остатком пентозы другого.

Первичная структура НК
Образовавшийся нуклеотид имеет на одном конце остаток фосфорной кислоты, а на другом - свободный гидроксил у С3- рибозы.
За счёт их может идти присоединение следующих мононуклеотидов, т.е. существует принципиальная основа для образования полимера – полинуклеотида.

Первичная структура НК
Количество мономерных звеньев в полимерной цепи может достигать 108 -109 единиц.
Мононуклеотиды связаны в полинуклеотид последовательно так, что разветвлённых структур не образуется.
Последовательность соединения мононуклеотидов в полинуклеотид носит название первичной структуры НК.

Первичная структура НК
Полинуклеотидная цепь имеет начало и окончание.
Началом считается тот конец полинуклеотида, на котором находится или свободная гидроксильная группа С5-рибозы, или же остаток фосфорной кислоты, связанный с этим гидроксилом.

Первичная структура НК
Окончанием полинуклеотида считается его конец, содержащий или свободный гидроксил у С3- пентозы или же остаток фосфорной кислоты, связанный с этим гидроксилом.
5, 3,- прямое направление
3, 5, - обратное направление.

Первичная структура НК
Полинуклеотидную цепь принято изображать в виде последовательности сокращённых названий азотистых оснований, входящих в её состав нуклеотидов:
рГ – А- А – Г – Ц –Т –А – Ц ОН
5, 3,

Изучение нуклеотидного состава ДНК показало, что:
- количество пиримидинов в молекуле эквивалентно количеству пуринов
( Т+Ц=А+Г );
- А = Т;
- Г = Ц ;
- А + Ц = Г + Т.

Тем не менее ДНК каждого отдельного вида животного, растения или микроорганизма обладает характерным для данного вида составом, который не зависит от возраста, условий роста, различных факторов развития и т.д.
В то же время ДНК, выделенная из различных клеток или органов животного, имеет одинаковый состав, характерный для данного вида.

Вторичная структура ДНК
Согласно современным представлениям молекула ДНК представляет собой не одиночную, а двойную полинуклеотидную цепь, спиралеобразно скрученную в пространстве. Углеводно-фосфатные основы цепей расположены по периферии структуры, а азотистые основания упакованы внутри неё.

Вторичная структура ДНК

Вторичная структура ДНК
Спираль имеет правую закрутку и на каждый виток спирали приходится 10 пар нуклеотидов, расстояние между которыми составляет 0,34 нм.
Таким образом, один виток спирали занимает по длине 3,4 нм, диаметр спирали составляет 2,0 нм.
Направление полинуклеотидных цепей антипараллельно, т.е. одна цепь имеет направление 5 3, а другая 3 5.

Вторичная структура ДНК
Азотистые основания одной цепи взаимодействуют с азотистыми основаниями другой цепи за счёт образования водородных связей между ними. Азотистое основание тимин одной цепи всегда взаимодействует с аденином другой, а цитозин одной цепи взаимодействует с гуанином в другой цепи.
Эти пары азотистых оснований называют комплементарными АО.

Вторичная структура ДНК
Долгое время считалось, что стабильность двойной спирали ДНК обусловлена только водородными связями между комплементарными азотистыми основаниями полинуклеотидных цепей. Однако, выяснено, что одних водородных связей для стабилизации недостаточно. В настоящее время обнаружен ещё один вид взаимодействия – стэкинг взаимодействие.

Стэкинг –взаимодействие -
-суть его состоит в том, что плоскости азотистых оснований молекулы ДНК, перпендикулярные длинной оси молекулы и параллельные друг другу, образуют внутри спирали что-то вроде монетного столбика. Каждое из азотистых оснований взаимодействует с выше и ниже лежащим азотистым основанием за счёт своих делокализованных систем пи-электронов.

Стэкинг –взаимодействие
В результата вся молекула оказывается «прошитой» по длине особым типом связей, которые получили название стекинг –взаимодействием.

Вторичная структура ДНК
Стэкинг -взаимодействие

Вторичная структура ДНК
Поскольку все азотистые основания одной полинуклеотидной цепи ДНК комплементарны азотистым основаниям её цепи, то и в целом одна полинуклеотидая цепь комплементарна другой цепи.

Вторичная структура ДНК
Регулярная пространственная структура, возникающая в результате взаимодействия двух антипараллельных комплементарных полинуклеотидных цепей и представляющая собой двойную правозакрученную спираль, носит название вторичной структуры ДНК.

РНК
В отличие от ДНК молекулы РНК не имеют каких-либо выраженных закономерностей в отношении количественного состава входящих в них азотистых оснований.
К тому же молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепи и выраженной вторичной структуры на всём протяжении молекулы РНК не имеют.

РНК
В качестве элементов вторичной структуры РНК обычно рассматривают так называемые «шпильки», представляющие собой участки одной и той же полинуклеотидной цепи, перегнутые в пространстве и закрученные сами на себя. Стабилизация таких структур осуществляется за счёт водородных связей между азотистыми основаниями восходящего и нисходящего участков полинуклеотидной цепи.

РНК
Полной комплементарности между восходящим и нисходящим участками в полинуклеотидной цепи в такой шпильке нет и структура её не так регулярна и прочна, как аналогичная структура ДНК, но тем не менее в некоторых классах молекул РНК в образовании такого рода элементов вторичной структуры может участвовать до 60% всех мононуклеотидных остатков.

РНК
В то время как состав и структура ДНК постоянны для клеток данного организма, молекулу РНК даже в пределах одной и той же клетки гетерогенны по структуре и составу. Кроме того, они выполняют различные функции в сложном процессе реализации генетической информации. По функциональному принципу клеточные РНК можно разделить на 4 класса:

РНК
Рибосомальная РНК – входит в состав рибосом, клеточных органелл, на которых происходит сборка полипептидных цепей белков в процессе их биосинтеза. На долю рРНК приходится 60-65% всей клеточной РНК.
Информационная(матричная РНК).Функция этого класса РНК-перенос генетической информации из ядра к месту синтеза белка-рибосомам.Она составляет 5%от всей клеточной РНК.