Биохимия

Биоорганическая химия


Нуклеиновые кислоты.


Нуклеиновая кислота (от лат. nucleus — ядро) — высокомолекулярное органическое соединение, биополимер (полинуклеотид), образованный остатками нуклеотидов.


Нуклеиновые кислоты ДНК и РНК присутствуют в клетках всех живых организмов и играют главную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка.


История их изучения начинается с выделением швейцарским химиком Ф. Мишером (в 1869 г) из ядер клеток вещества кислотного характера, названного им нуклеином и получившего позже название нуклеиновые кислоты.


Строение нуклеиновых кислот. Нуклеотиды.


Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется в пределах от 25 тыс. до 1 млн. Их полимерные цепи построены из мономерных единиц – нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами.


Особенность нуклеотидов состоит в том, что обычно «неделимое» мономерное звено (например, аминокислотный остаток в белках) в данном случае представляет собой трёхкомпонентное образование, включающее:


  • Нуклеиновое (гетероциклическое) основание (на схеме показано синим цветом),
  • Углеводную часть (на схеме показано жёлтым цветом) и
  • Фосфатную группу (на схеме показано красным цветом).


Строение белковой молекулы


Рассмотрим по очереди каждый из трёх компонентов.


Нуклеиновые основания.

В химии нуклеиновых кислот нуклеиновыми основаниями называют входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидонового и пуринового рядов.


Пиримидиновые и пуриновые основания — органические природные соединения, производные пиримидина и пурина соответственно.


Пиримидин и пурин


В нуклеотидах встречаются три вида пиримидиновых оснований:



Пиримидиновые основания


и два вида пуриновых оснований:



Пуриновые основания


В качестве заместителей гетероциклические основания содержат либо оксогруппу (урацил, тимин), либо аминогруппу (аденин), либо одновременно обе эти группы (цитозин, гуанин).


Нуклеиновые кислоты различаются входящими в них гетероциклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин – в ДНК.


Таким образом, в молекулах нуклеиновых кислот (как в РНК, так и ДНК) присутствуют последовательности из четырёх чередующихся оснований.



ДНК
РНК
Тимин,
Цитозин,
Аденин,
Гуанин.
Урацил,
Цитозин,
Аденин,
Гуанин.

Кроме этих нуклеиновых оснований, называемых основными, в небольших количествах встречаются другие гетероциклические основания. Их называют минорными. К ним относятся: гипоксантин, 5-метилцитозин, 6-N-метиладенин, 1-N-метилгуанин и др.


Углеводная часть. Нуклеозиды.

Рибоза и дезоксирибоза


Углеводная часть нуклетидов представлена одним из двух вариантов:


  • Остатком моносахарида рибозы или
  • Остатком моносахарида дезоксирибозы.

В составе нуклеиновых кислот они представлены в циклической (фуранозной) форме.


Оба моносахарида можно представить общей структурной формулой:



Рибофураноза и дезоксирибофураноза общая формула


Если R = ОН, то моносахарид является рибозой, если R = Н, то – дезоксирибозой.



Рибоза и дезоксирибоза


Дезоксирибоза - производная рибозы, где гидроксильная группа у второго атома углерода замещена водородом с потерей атома кислорода (частица «дезокси» означает - отсутствие атома кислорода).


Эти два моносахарида дают названия соответсвующим нуклеиновым кислотам: рибонуклеиновой кислоте (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).


Нуклеоизиды


Рассмотренные выше гетероциклические основания образуют N-гликозиды с рибозой или дезоксирибозой.



Общая структура нуклеозида


Гликозиды — органические соединения, молекулы которых состоят из двух частей: углеводного (пиранозидного или фуранозидного) остатка и неуглеводного фрагмента, т. н. агликона (агликон т.е. «не сахар»).


В данном случае в качестве агликона выступает остаток одного из гетероциклических оснований (урацил, цитозин, тимин, аденин, гуанин).


В химии нуклеиновых кислот такие N-гликозиды называют нуклеозидами.


В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.


Название образуется от тривиального названия соответсвующего нуклеинового основания прибавлением суффиксов –идин (у пиримидиновых) и –озин (у пуриновых нуклеозидов).


Азотистое основание
Рибонуклеозид
Дезоксирибонуклеозид

Аденин

Аденозин

Дезоксиаденозин

АденинАденозинДезоксиаденозин

Гуанин

Гуанозин

Дезоксигуанозин

ГуанинГуанозинДезоксигуанозин

Тимин

Метилуридин

Дезокситимидин

ТиминМетилуридинДезокситимидин

Урацил

Уридин

Дезоксиуридин

УрацилУридинДезоксиуридин

Цитозин

Цитидин

Дезоксцитидин

ЦитозинЦитидинДезоксицитидин

Фосфатная группа. Нуклеотиды.


Фосфатная группа в нуклеотидах представлена остатком или остаками фосфорной кислоты Н3РО4.


Фосфорная кислота


Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовой гидроксил при С-5’ или C-3’ в остатке рибозы или дезоксирибозы. Т.е. между фосфорной кислотой и нуклеозидом образуется сложноэфирное соединение.


Полученные таким образом соединения называются нуклеотидами.


Сложноэфирная связь нуклеозида и остатка фосфорной кислоты


Нуклеотидыфосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозидфосфаты.


В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты в молекуле различают нуклеотиды монофосфаты, дифосфаты и трифосфаты.


Рассмотрим общий принцип строения нуклеотидов на примере фосфатов аденозина.



Аденозин-фосфат



Для связывания трёх компонентов в молекуле нуклеотида используется сложноэфирная и N-гликозидная связи.


Сложноэфирная связь – между остатком фосфорной кислоты и углеводным остатком (рибозой).


N-гликозидная связь – между гетероциклическим основанием и углеводным остатком.


Нуклеотиды можно рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), с другой – как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты).


За счёт фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях (при рН=7) находится в полностью ионизированном состоянии.


Для нуклеотидов используется два вида названий:


Название нуклеотидов
как фосфатов
как кислот
Аденозин-5'-фосфат5'-Адениловая кислота
Гуанозин-5'-фосфат5'-Гуаниловая кислота
Цитидин-5'-фосфат5'-Цитидиловая кислота
Уридин-5'-фосфат5'-Уридиловая кислота
Дезоксиаденозин-5'-фосфат5'-Дезоксиадениловая кислота
Дезоксигуанозин-5'-фосфат5'-Дезоксигуаниловая кислота
Дезоксицитидин-5'-фосфат5'-Дезоксицитидиловая кислота
Тимидин-5'-фосфат5'-Тимидиловая кислота

Оглавление


Органическая химия

Косметическая химия

Коллоидная химия


Биохимия