загрузка...
загрузка...
На головну

Нуклеозидами, нуклеотидів і НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ, ЇХ СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ

  1. III.1. Послідовна структура управління
  2. III.2. Умовна структура управління
  3. IV. МОВА ЯК СИСТЕМА І СТРУКТУРА
  4. V. 17.3. Структура характеру та симптомокомплекси його властивостей
  5. V. 18.4. Талант, його походження і структура
  6. VII.1.2) Правова структура речі.
  7. XI. Пристосування ТА ІНШІ ЕЛЕМЕНТИ, властивості. Здібностей та обдарувань АРТИСТА

Нуклеозиди і нуклеотиди є продуктами гідролізу нуклеїнових кислот, але вони присутні в живих організмах також в незв'язаному стані, виконуючи виключно важливу роль в обміні речовин.

Нуклеозиди - це природні глікозиди гетероциклічних азотистих основ (Піримідинових та пуринових), які пов'язані з пентоз через атом азоту. Залежно від природи вуглеводного залишку (пентози) розрізняють рибонуклеозид и дезоксирибонуклеозид.

Назви нуклеозидов виробляються від тривіального назви відповідного гетероциклического азотистого підстави з суфіксами -йди н у піримідинових і -озін у пуринових нуклеозидів. Виняток з цього правила зроблено для нуклеозидов тиміну.

 компоненти нуклеозида  нуклеозид  індекс нуклеоаіда
 Аденін + рибоза  аденозин А
 Аденін + дезоксирибоза  дезоксиаденозин  dA
 Гуанін + рибоза  гуанозін Г
 Гуанін + дезоксирибоза  дезоксигуанозину  dГ
 Цитозин + рибоза  цітідін С
 Цитозин + дезоксирибоза  Дезоксіцітідін  dC
 Урацил + рибоза  уридин u
 Урацил + дезоксирибоза  дезоксіурідіна  dU
 Тимін + рибоза  Ріботімідін Т
 Тимін + дезоксирибоза  тимидин  dT

Нуклеозиди скорочено частіше позначають однобуквеним індексом, але існує також система трьохбуквені індексу.

Нуклеозиди, будучи N-глікозидами, стійкі до гідролізу в слабощелочной середовищі, але розщеплюються в кислому середовищі. Пуринові нуклеозіди гідролізуються легко, піримідинові - важче.

 
 

 Нуклеотиди є складними ефірами нуклеозидів і фосфорної кислоти, яка зазвичай етерифікування гидроксогруппа при С-5 'пентози. У зв'язку з наявністю в молекулі залишку фосфорної кислоти нуклеотиди проявляють властивості двухосновной кислоти з pКа 1 = 0,9 - 1,5 і pКа 2 = 6 - 6,5.

Нуклеотиди називають або як відповідні кислоти (монозаміщені похідні фосфорної кислоти), або як солі (Монофосфат) із зазначенням в обох випадках положення фосфатного залишку:

Оскільки з урахуванням значень и  нуклеотиди в фізіологічних умовах перебувають в ионизованном стані, останній спосіб краще.

Велике значення в живих системах відіграють нуклеотиди, що містять в своєму складі ди-і трифосфатних угруповання. Найважливішими серед цих похідних є аденозінді-фосфат (АДФ) і аденозинтрифосфат (АТФ), які здатні до взаимопревращениям шляхом нарощування або відщеплення фосфатних груп:

 
 

У цих з'єднаннях фосфатні групи в фізіологічних умовах майже повністю ионизована, тому їх часто записують у вигляді аніонів АТФ4, АДФ3. Головна особливість цих нуклеотидів полягає в тому, що їх поліфосфатні групи містять одну або дві ангідридні групи  . При гідролізі такої групи розривається зв'язок, звана макроергічним, і виділяється близько 33 кДж / моль (розд. 4.5). Саме з цим пов'язана роль АТФ в клітці як постачальника хімічної енергії для біохімічних і фізіологічних процесів.

За участю АТФ в організмі також здійснюється реакція фосфорилювання гідроксилвмісних сполук з утворенням складних ефірів фосфорної кислоти:

При фосфорилировании карбоксилсодержащими з'єднань утворюються ацілфосфати, які містять ангідридну угруповання

Фосфорильовані похідні виступають активними метаболітами в багатьох біохімічних процесах.

Нуклеотидами є багато коферменти, наприклад НАД-і ФАД-похідні аденозінфосфата, а коензим А - похідне аденозиндифосфата. Найважливіша біологічна роль нуклеотидів полягає в тому, що з них побудовані нуклеїнові кислоти (полінуклеотіди).

нуклеїнові кислотив живих організмах грають головну роль в передачі спадкових ознак (генетичної інформації) і управлінні процесом біосинтезу білка. Нуклеїнові кислоти - високомолекулярні сполуки з молекулярною масою від 20 тисяч до десятка мільярдів. Їх полімерні ланцюги побудовані з мономірних ланок-нуклеотидів. Особливість нуклеотидного ланки полягає в тому, що воно являє собою трикомпонентну освіту, що складається з гетероциклического азотовмісного підстави, вуглеводного компонента - пентози - і фосфатної групи. Каркас полімерного ланцюга складається з чергуються пентодних і фосфатних залишків, пов'язаних складноефірний зв'язку (у С-3 'і С-5'), а гетероциклічні підстави є «бічними» групами, приєднаними до пентозного залишкам за рахунок N-гликозидной зв'язку:

Первинна структура нуклеїнових кислот визначається природою і послідовністю нуклеотидних ланок, пов'язаних складноефірний зв'язку між пентозу і фосфатними групами (рис. 23.2).

Вторинна структура нуклеїнових кислот. Згідно вторинної структурі полинуклеотидная ланцюг являє собою подвійну спіраль, в якій пуринові і піримідинові підстави спрямовані всередину. Між пуріновим підставою одного ланцюга і пірімідіновим підставою інший ланцюга є водневі зв'язки, що стабілізують таку структуру. Підстави, що утворюють пари, пов'язані водневими зв'язками, називаються комплементарними. У ДНК комплементарними будуть: аденін - тимін, утворюють між собою дві водневі зв'язку, і гуанін - цитозин, пов'язані трьома водневими зв'язками (рис. 23.3). Це означає, що пуріновим підстав аде-нину і гуаніну в одного ланцюга будуть відповідати піримідинові підстави тимін і цитозин в іншому ланцюзі. Полінуклеотидні ланцюга, що утворюють подвійну спіраль, не ідентичні, але комплементарні між собою.

Мал. 23.3. Комплементарні пари гетероциклічних підстав і подвійна спіраль ДНК

Комплементарність ланцюгів і послідовність ланок складають хімічну основу найважливіших функцій нуклеїнових кислот: ДНК - зберігання і передача спадкової інформації, а РНК - безпосередня участь в біосинтезі білка. Молекулярна маса ДНК варіює від декількох мільйонів до десятка мільярдів, у РНК - від десятка тисяч до декількох мільйонів.

Молекула ДНК, на відміну від молекули РНК, в більшості випадків складається з двох комплементарних взаімозакрученних ланцюгів. Залежно від довжини витка і кута спіралі, а також ряду інших її геометричних параметрів, розрізняють більше десяти різноманітних упорядкованих спіральних структур ДНК. У стабілізації цих структур разом з водневими зв'язками, які діють поперек спіралі, велику роль відіграють міжмолекулярні взаємодії, спрямовані вздовж спіралі між сусідніми просторово зближують азотистими підставами. Оскільки ці взаємодії спрямовані уздовж стопки азотистих основ молекули ДНК, їх називають стекінг-взаємодіями. Таким чином, взаємодії азотистих основ між собою скріплюють подвійну спіраль молекули ДНК і вздовж, і впоперек її осі.

Сильне стекінг-взаємодія завжди посилює водневі зв'язку між підставами, сприяючи ущільнення спіралі. Внаслідок цього молекули води з навколишнього розчину зв'язуються в основному з пентозофосфатний остовом ДНК, полярні групи якого знаходяться на поверхні спіралі. При ослабленні стекінг-взаємодії молекули води, проникаючи всередину спіралі, конкурентно взаємодіють з полярними групами підстав, ініціюють дестабілізацію і сприяють подальшому розпаду подвійної спіралі. Все це свідчить про динамічність вторинної структури ДНК під впливом компонентів навколишнього розчину.

 
 

 Біспіральние структури в молекулах РНК виникають в межах однієї і тієї ж ланцюга в тих зонах, де розташовані комплементарні азотисті основи аденін - урацил и гуанін -цітозін (Рис. 23.4). В результаті вторинна структура молекули РНК містить біспіральние ділянки і петлі, число і розміри яких визначаються первинною структурою молекули і складом навколишнього розчину.

Мал. 23.4. Вторинна структура молекули РНК

Третинна структура нуклеїнових кислот. Подвійна спіраль молекул ДНК існує у вигляді лінійної, кільцевої, суперкольцевой і компактних Клубкова форм. Між цими формами відбуваються взаємні переходи при дії особливої ??групи ферментів - топоізомераз, змінюють просторову структуру (рис. 23.5).

Третинна структура багатьох молекул РНК поки ще потребує остаточного з'ясування, але вже встановлено, що вона залежить не тільки від первинної і вторинної структури, а й від складу навколишнього розчину.

Біологічні функції і ДНК, і РНК повністю визначаються тільки сукупністю первинної, вторинної та третинної структур. При цьому слід зазначити, що стабілізація вторинної і третинної структур нуклеїнових кислот, так само як у білків, відбувається за рахунок асоціації за принципом самоорганізації під впливом і за участю компонентів навколишнього розчину, і перш за все молекул води.

Мал. 23.5. Третинна структура молекули ДНК: а - лінійна, б -кільцева, в -суперкольцевая, г -Компактний клубок

Поверхневі властивості. Макромолекули нуклеїнових кислот складаються з полярних груп, і тому їх поверхню досить гідрофільна. Внаслідок цього у водних розчинах нуклеїнові кислоти при їх малій концентрації, низькою молекулярною масою і при досить великій концентрації вільних молекул води мимовільно утворюють істинні розчини, а в разі великої молекулярної маси - ліофільні колоїдні розчини.

Наявність на поверхні макромолекул нуклеїнових кислот негативного заряду, що виникає за рахунок дисоціації фосфатних груп, сприяє утворенню асоціативних комплексів - нуклеопротеинов, що складаються з нуклеїнових кислот і основних білків (РІ> 8,0).

Облік тільки полярності заступників в молекулі нуклеїнових кислот при описі їх поверхневих властивостей явно недостатній, так як склад і послідовність азотистих основ їх макромолекул несуть спадкову інформацію живого організму. При синтезі дочірніх нуклеїнових кислот на вихідних полінуклеотідах і при синтезі білка поверхню полінук-леотідов використовується як інформаційна матриця. Саме ця особливість нуклеїнових кислот визначає їх унікальну біологічну роль в забезпеченні життєвих процесів.

Структурно-інформаційні властивості. Нуклеїнові кислоти - інформаційні біополімери, що здійснюють зберігання та передачу генетичної інформації у всіх живих організмах, а також беруть участь в біосинтезі білків. ДНК є носієм генетичної інформації, яка записана через певну послідовність розташування в ланцюгу чотирьох гетероциклічних підстав. Перший етап реалізації генетичної інформації полягає в тому, що на конкретних ділянках однієї з ниток молекули ДНК відбувається синтез молекул РНК. Біосинтез РНК, званий транскрипцією, зазвичай відбувається в результаті комплементарного копіювання ДНК-матриці за допомогою РНК-полімерази. Синтезована РНК містить точну копію конкретної ділянки ДНК.

В результаті транскрипції утворюються чотири різних види РНК: рібосомал'ная рРНК, матрична мРНК (інформаційна), транспортна тРНК і малі ядерні РНК, роль яких різноманітна, але до кінця ще не з'ясована. Кожна з синтезованих РНК грає строго певну роль на другому етапі реалізації генетичної інформації - трансляції. Реалізація генетичної інформації за допомогою нуклеїнових кислот відбувається за схемою:

Рибосомальна РНК входить спільно з білками до складу рибосом. Матрична РНК, об'єднуючись з рибосомами, утворює полірібосом, в якій за допомогою ферментів і транспортних РНК, що постачають певні амінокислоти, відбувається трансляція - синтез білків відповідно до інформації, записаної на мРНК. Інформація про послідовність амінокислот у молекулі білка зчитується з послідовності гетероциклічних підстав в мРНК. Конкретна група з трьох гетероциклічних основ у молекулі нуклеїнової кислоти, яка відповідає окремій амінокислоті, називається кодоном. Сукупність кодонів становить генетичний код. Генетичний код єдиний для всього живого: у будь-якого виду організмів кожна з ос-амінокислот кодується одним і тим же кодоном або одними і тими ж кодонами. (Кілька кодонів можуть кодувати одну і ту ж амінокислоту, але один і той же кодон не здатний кодувати різні амінокислоти.)

Рідкокристалічний стан нуклеїнових кислот. Розглянувши структуру нуклеїнових кислот, переконуєшся в тому, що для них характерна певна ориентационно-просторова організація нуклеотидів. Кожен нуклеотид анизотропен, а з утворенням комплементарної пари в ланцюзі анізотропні властивості системи посилюються, отже, при розгляді подвійної спіралі всієї молекули ДНК роль анізотропії стає дуже істотним фактором для опису її властивостей. Тому для молекул ДНК, молекулярна маса яких досягає 109, Цілком реально, що в розчині окремі досить великі фрагменти цієї строго організованою гігантської молекули можуть перебувати в рідкокристалічному стані, утворюючи внутрішньо-молекулярні термотропниє рідкі кристали (при певній температурі) або лио-тропний рідкі кристали (при певній мірі гідратації розглянутого фрагмента). Число таких фрагментів і їх орієнтація в просторі сильно впливають на стан ДНК у клітині і її біологічні функції.

Крім того, різні ліотропні рідкокристалічні стани можуть мимовільно формуватися в системах полінуклеотіди - вода або нуклеопротеїни - вода відповідно до властивостей ліофільних колоїдних розчинів. У таких розчинах можуть відбуватися множинні переходи з одного рідкокристалічного стану в інше, які змінюють біологічні функції відповідних систем і відбуваються під дією спрямованого поля або мимовільно. В даний час встановлено, що внутрішньо-і міжмолекулярні рідкокристалічні утворення нуклеїнових кислот або їх комплексів з білками грають важливу роль в процесах передачі інформації і біосинтезу нових нуклеїнових кислот і білків на молекулярному рівні.

Денатурація. Подібно денатурації білків відбувається денатурація нуклеїнових кислот, що супроводжується руйнуванням їх третинної і вторинної структур і збереженням первинної структури. Це відбувається під впливом тих же факторів, що і в разі білків, але інтенсивність фактора в разі нуклеїнових кислот, природно, може бути інший, ніж при денатурації білка. Під впливом того чи іншого фактора знижується міцність водневих зв'язків і зменшується ефективність стекінг-взаємодії між азотистими підставами в макромолекулі. Це сприяє розкручуванню дволанцюжкових спіралей з утворенням невпорядкованих одноланцюгових клубків. Оскільки при денатурації зберігається первинна структура нуклеїнових кислот, то цей процес може мати зворотній характер.

Процес денатурації нуклеїнових кислот поділяють на дві стадії. На першій стадії два ланцюги частково розкручуються, але залишаються з'єднаними хоча б в одній невеликій ділянці. На другій стадії два ланцюги повністю відокремлюються одна від одної. Перша стадія легко оборотна. Після другої стадії ре-натурація протікає дуже повільно, особливо в разі ДНК з великою молекулярною масою.

Кислотно-основні властивості.Сільнополярних фосфатні групи нуклеїнових кислот характеризуються значенням  Таким чином, нуклеїнові кислоти - це досить сильні полікислоти, повністю іонізованниє при рН вище 4, і тому їх поверхня несе негативний заряд. Саме ця обставина пояснює велику схильність нуклеїнових кислот до взаємодії з полиаминами, у яких між атомами азоту містяться дві або три метиленові групи. Однак особливий інтерес викликає кислотно-основна взаємодія нуклеїнових кислот з білками, які є поліамфоліта-ми, утворюючи комплексні асоціати (солі), звані нуклеопротеїн. Особливо активно нуклеїнові кислоти взаємодіють з основними білками (РІ> 8), що мають в нейтральному середовищі в основному позитивний заряд. Так, ДНК утворює міцний комплекс з білками-гистонами, що входять до складу хромосом. Гістони містять 25-30% залишків лізину і аргініну, основні функціональні групи яких при рН = 7 заряджені позитивно. Вони, електростатично взаємодіючи з негативно зарядженими фосфатними групами, розташованими на периферії подвійної спіралі ДНК, утворюють досить міцний комплексний ассоциат, в якому структура ДНК додатково стабілізована. При ослабленні зв'язків між ДНК і гістонів в силу тих чи інших причин, наприклад в результаті зміни іонної сили середовища, відбувається дестабілізація ДНК. Цим і визначається регуляторна роль гістонів в функціонуванні геному.

РНК також утворюють з білками нуклеопротеїнами. так, рибосоми складаються з 50-65% Хвороби і 35-50% білків, що містять до 25% основних амінокислот. Маса однієї рибосомной субодиниці становить кілька мільйонів, а діаметр 1,8 - 10-6 м. При контакті з 0,5-1,0 М розчинами солей при низькій температурі відбувається відділення білка від РНК в рибосомах внаслідок їх дегідратації. Аналогічна дисоціація відбувається при збільшенні рН до 12 через зміни заряду білкової молекули.

віруси являють собою стійкі комплексні асоціацію-Циатім, що містять до 30% нуклеїнової кислоти і велика кількість білкових молекул, покладених у певному порядку і утворюють специфічну тривимірну структуру. До складу вірусу може входити як ДНК, так і РНК.

Кислотно-основні властивості нуклеїнових кислот обумовлені не тільки наявністю фосфатних груп, а й присутністю азотистих основ. Азотисті основи нуклеїнових кислот, як було показано в розд. 23.3, є амфоліти. Внаслідок того, що у них і основні і кислотні властивості виражені слабо, внутримолекулярного солеутворення, як у амінокислот, в нуклеїнових кислотах не відбувається. Кислотно-основні властивості гетероциклічних підстав впливають головним чином на стан і міцність водневих зв'язків і стекінг-взаємодій, що виникають між ними. Оскільки на ці види взаємодій сильно впливає рН середовища, зміна конформації нуклеїнових кислот може відбуватися при незначній зміні рН.

Окислювально-відновні властивості.Нуклеїнові кислоти не містять груп, схильних до окислювально-відновним перетворенням при м'якому впливі. Тому вони відносно стійкі до впливу м'яких окислювачів і відновників. При жорсткому окисленні в водному середовищі нуклеїнові кислоти перетворюються, як всі органічні сполуки в організмі, в СО2 і Н2О, а через присутність в їх складі атомів азоту утворюють сечову кислоту, сечовину або солі амонію; крім того, через наявність фосфатних груп утворюються неорганічні фосфати.

Комплексоутворюючі властивості.Нуклеїнові кислоти є активними полідентатними лігандами, що містять як "жорсткі" центри - іонізованниє фосфатні групи, так і "м'які" центри - полярні групи

азотистих основ. За рахунок "жорстких" фосфатних центрів нуклеїнові кислоти утворюють малостійкі комплекси з дуже "жорстким" катионом До+ і більш міцні комплекси з катіонами Mg2+ і Са2+. "М'які" центри розташовані на гетероциклічних підставах, і за рахунок їх утворюються міцні комплекси з "м'якими" катіонами d-металів. Освіта комплексних сполук нуклеїнових кислот з катіонами металів, природно, призводить до зміни їх конформації, а отже, і їх хімічної і біологічної активності.


 
 

 глава 24



Попередня   238   239   240   241   242   243   244   245   246   247   248   249   250   251   252   253   Наступна

СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ ПЕПТИДІВ | СТРУКТУРА І ВЛАСТИВОСТІ БІЛКІВ | ВУГЛЕВОДИ і полісахариди | БУДОВА, ізомери і властивості моносахаридів | Хімічні властивості моносахариди та їх похідних | Катаболізму ГЛЮКОЗИ - ГЛІКОЛІЗ | гомополісахаридів | Гетерополісахарид, протеоглікани, глікопротеїни | ЕЛЕКТРОННІ СТАНУ атома азоту У ЙОГО З'ЄДНАННЯХ І ВЛАСТИВОСТІ ЦИХ СПОЛУК | РОЛЬ АМІАКУ ДЛЯ живих організмів ТА ШЛЯХИ ЙОГО знешкодження. ЦИКЛ СЕЧОВИНИ ТА ЇЇ ВЛАСТИВОСТІ |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати