Нуклеотиды

НУКЛЕОТИДЫ

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации, непосредственно участвуют в механизмах реализации этой информации путем программированного синтеза всех клеточных белков. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется в пределах от 25 тыс. до 1 млн дальтон и более. Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц – нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. Существуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, различающиеся по молекулярной массе, составу азотистых оснований, сахаров, устойчивости и функциям.

Нуклеиновые кислоты (НК) обладают выраженными кислотными свойствами (обусловленными наличием остатков ортофосфорной кислоты в их составе) и при физиологических значениях рН несут отрицательный заряд. Этим объясняется одно из важных свойств нуклеиновых кислот взаимодействовать по типу ионной связи с основными белками (гистонами и др.). Так, ДНК содержится в ядре клетки в виде комплексов с белками - нуклеопротеинов. НК также образуют ионные связи с катионами металлов, преимущественно с Мg²⁺.

При полном гидролизе нуклеиновых кислот (нагревании в присутствии хлорной кислоты) в гидролизате обнаруживаются пуриновые и пиримидиновые основания, углеводы (рибоза и дезоксирибоза) и фосфорная кислота:

1. НУКЛЕИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ, ИХ ТАУТОМЕРНЫЕ ФОРМЫ.

урацил (У)	тимин (Т)	цитозин (Ц)
2,4-диоксопиримидин	5-метилурацил	4-амино-2-оксо-пиримидин

аденин (А)	гуанин (Г)
6-аминопурин	2-амино-6-оксопурин

Нуклеиновые основания растворимы в воде, их растворы имеют слабощелочную реакцию среды (рН 8-9).

Известно, что гидрокси- и аминопроизводные гетероциклического ряда способны к лактим-лактамной и амино-аминной таутомерии. Таутомерные формы образуются в результате перехода протона (Н⁺) от кислотного центра (ОН- или NH₂ группа) к основному центру (:N). При физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной и аминной формах. В лактамных формах гетероциклы сохраняют ароматичность и имеют плоскостное строение.

лактимная форма урацила			лактамная форма урацила
аминная форма Ц				иминная форма Ц

3-N-метилурацил (м У)	дигидроурацил (УН)	1-N-метилгуанин (м Г)

2. НУКЛЕОЗИДЫ, СТРОЕНИЕ, НОМЕНКЛАТУРА.

Нуклеозиды представляют собой N-гликозиды, образованные гетероциклическими азотистыми основаниями и полуацетальным гидроксилом рибозы или дезоксирибозы. D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза в состав природных нуклеозидов входят в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со штрихом). Гликозидная связь осуществляется между аномерным атомом углерода С₁ рибозы или дезоксирибозы и атомом азота N₁ пиримидинового и N₉ пуринового оснований. Природные нуклеозиды всегда являются -N-гликозидами.

	N - гликозидная связь
Аденозин N-9 -  -D- рибофуранозиладенин анти-аденозин		Тимидин N-1 -  -D-дезоксирибофуранозилтимин анти-тимидин

Цитозин + Рибоза  Цитидин

Цитозин + Дезоксирибоза  Дезоксицитидин

Аденин + Рибоза  Аденозин

Аденин + Дезоксирибоза  Дезоксиаденозин
Г

етероциклическое основание может вращаться вокруг гликозидной связи. В зависимости от взаимной ориентации азотистого основания и пентозного цикла различают две основные конформации нуклеозидов - син и анти. В анти-конформации шестичленное кольцо пурина или атом кислородо оксогруппы пиримидиновых оснований направлены от сахара, тогда как в син-конформации они нависают над пентозным циклом, либо направлены в его сторону.

Являясь N-гликозидами, нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые – труднее.

3. НУКЛЕОТИДЫ, СТРОЕНИЕ, НОМЕНКЛАТУРА, СВОЙСТВА.

Нуклеотиды  это фосфорные эфиры нуклеозидов, являющиеся структурными единицами нуклеиновых кислот. Они образуются по реакции фосфорилирования, протекающей по типу реакций нуклеофильного замещения, приводящей к формированию сложно-эфирной связи.

Остатки рибозы могут фосфорилироваться по трем положениям: С₂, С₃ и С₅, а дезоксирибозы  по двум: С₃ и С₅.

сложноэфирная связь		N - гликозидная связь
	аденозин - 5 - монофосфат. АМФ

Нуклеотиды способны гидролизоваться в кислой и щелочной среде.

Аденозин ^{щелочная среда} АМФ ^{кислая среда} Аденозин

+NaH₂РО₄ ^{рН 4 (нагрев)} +Н₃РО₄

^{рН 1}

D - рибоза + Аденин + Н₃РО₄

Гидролизу могут подвергаться как N -гликозидная, так и сложноэфирная связи, и в зависимости от рН среды могут образовываться или нуклеозиды или компоненты нуклеотида.

Нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот; но, кроме того, они встречаются в клетке также в свободном состоянии, выполняя энергетические и регуляторные функции. К наиболее важным из них относятся циклические нуклеотиды, аденозинтрифосфат и гуанозинтрифосфат.

Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата – 3^,5 ^-циклоАМФ и 3^,5 ^-циклоГМФ Циклические нуклеотиды являются вторичными посредниками в действии полипептидных гормонов, катехоламинов и простагландинов.

Во всех тканях организма в свободном состоянии содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Нуклеозидтрифосфаты выполняют роль аккумуляторов (накопителей), трансформаторов и передатчиков энергии в клетке. Они содержат две ангидридные связи, называемые макроэргическими.

При физиологических значениях рН АТФ находится в ионизированном состоянии и в клетке связывается с ионами двухвалентных металлов (Мg²⁺, Са²⁺). Такое связывание частично нейтрализует общий отрицательный заряд и облегчает гидролиз АТФ под действием нуклеофилов (ОН^-, Н₂О). АТФ способен переносить потенциальную энергию на множество важных биологических соединений. Так, с участием АТФ осуществляется активный транспорт ионов через биологические мембраны, активирование аминокислот перед их связыванием с т-РНК, синтез полинуклеотидных цепей, образование пептидных связей в белках и т.д.

Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его фосфат (НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов большого числа ферментов дегидрогеназ и, следовательно, являются участниками окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД⁺, НАДФ⁺), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) формах.

Структурным фрагментом НАД⁺, НАДФ⁺ является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В организме человека с участием НАД⁺ происходит окисление гидроксилсодержащих соединений, например, этанола в ацетальдегид.

В ходе дегидрирования, являющегося одним из видов биологического окисления, субстрат теряет два атома водорода, т.е. два протона и два электрона (2Н⁺ + 2е) или протон и гидрид-ион (Н⁺ и :Н^-). Кофермент НАД⁺ является акцептором гидрид-иона, превращаясь при этом в производное 1,4-дигидропиридина (восстановленный НАДН).

Ароматический пиридиниевый цикл в НАД⁺ в результате окисления гидроксилсодержащего субстрата восстанавливается и переходит в менее стабильное неароматическое состояние в восстановленной форме НАДН, т.е. энергия НАДН будет выше, чем у НАД⁺. Повышение энергии в молекуле НАДН происходит за счет части энергии, выделяющейся в результате окисления молочной кислоты. Таким образом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.

Нуклеиновые кислоты представляют собой макромолекулы, построенные из нуклеотидов, соединенных в линейную последовательность фосфодиэфирными связями. Рибонуклеотиды образуют РНК, дезоксирибонуклеотиды  ДНК.

Мононуклеотиды в структуре нуклеиновых кислот связываются друг с другом через остатки фосфорной кислоты, которые образуют две сложноэфирные (фосфодиэфирные) связи: с С - 3' предыдущего нуклеотидного звена и с С - 5' последующего нуклеотидного звена. Полимерная цепь нуклеиновых кислот состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются "боковыми" группами, присоединенными к пентозным остаткам. Концы линейной (неразветвленной) полинуклеотидной цепи обозначают: 5' - конец (слева) и 3' - конец (справа). Написание цепи обычно начинают с 5' - конца. В этом случае общее направление образования фосфодиэфирных связей в цепи обозначается 5'—>3'. На 5'- конце находится фосфатная группа, и такой конец цепи сокращенно обозначают буквой "Р". На другом конце цепи в пентозном остатке сохраняется свободной гидроксильная группа у С - 3', и поэтому этот конец цепи обозначают как ОН - конец. На рисунке приведено строение участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеотида.

Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК является D-рибоза, и в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил. Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот  это линейная последовательность нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными фосфодиэфирными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.

Вторичная структура ДНК  это пространственная организация полинуклеотидных цепей в ее молекуле. Согласно модели Дж. Уотсона и Ф. Крика, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали, имеющей диаметр 1,8 - 2,0 нм. Эти две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направления образования фосфодиэфирных связей в них противоположны: в одной цепи 5' - 3', в другой 3' - 5'.

В формировании и стабилизации этой жесткой спиралевидной вторичной структуры основную роль играют вертикальные взаимодействия между соседними основаниями, располагающимися друг над другом в виде стопок. Этот тип связи получил название стэкинг-взаимодействия. Решающим в формировании этого взаимодействия являются особенности строения азотистых оснований нуклеотидов. Благодаря плоскостной жесткой структуре полярные заместители одного основания (-NН₂, -N-, =О) нависают над ароматическим кольцом соседнего основания. Диполь, образовавшийся в одной группе атомов, приводит к поляризации -электронной системы соседних атомов или молекул, индуцируя тем самым образование параллельно ориентированных диполей, которые притягиваются друг к другу. Поскольку основания обладают и собственным дипольным моментом, два типа электронных эффектов – лондоновские дисперсионные силы (обусловленные индуцированными диполями) и взаимодействие между постоянными диполями дают весьма заметный эффект. В олиго- и полинуклеотидах стэкинг-взаимодействие между соседними основаниями приводит к формированию стабильной одноцепочечной правой спиральной структуры.

В водных растворах полинуклеотидов и НК в формировании стэкинг-взаимодействия принимают участие и гидрофобные силы. Если растворенные молекулы агрегируют друг с другом, то суммарная поверхность, контактирующая с водой, уменьшается. Это приводит к высвобождению молекул структурированной воды, к увеличению ее энтропии и к стабилизации агрегатов.

Стэкинг-взаимодействия между основаниями стабилизируют спиральную структуру, преодолевая силы электростатического отталкивания между отрицательно заряженными фосфатными группами. Эта энергия стабилизации может быть равна или превышать энергию связывания цепей водородными связями. Построение молекулярных моделей показывает, что именно в правой спирали взаимодействие между нуклеотидами оптимально.

Водородные связи между комплементарными основаниями  это один из видов взаимодействия, стабилизирующих двойную спираль. Данный вид взаимодействия называют "поперечным" в отличие от "вертикального" (стэкинг-взаимодействия). Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны друг другу. Это означает, что первичная структура, т.е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи.

Пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидных звеньев направлены внутрь двойной спирали. Между пуриновым основанием со стороны одной цепи и пиримидиновым основанием со стороны другой цепи образуются водородные связи. Эти основания, связанные водородными связями составляют комплементарные пары.

Водородные связи возникают между аминогруппой (кислотный центр) одного основания и кетогруппой (основной центр) другого NН ... О = С. Например, адениновому основанию в одной цепи будет соответствовать тиминовое в другой цепи. Таким образом, А и Т, а также Г и Ц являются парами комплементарных оснований. В основе комплементарности лежит принцип максимума водородных связей и, соответственно, прочность взаимодействия. Между Г и Ц образуются три водородные связи (ГЦ), а между А и Т - две (А=Т). По этой причине пара ГЦ связана несколько прочнее и более компактна: ее геометрический размер 1,08 нм, сравнительно с 1,11 нм у пары АТ.

К

омплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК  хранения и передачи наследственных признаков. При делении клеток двойная спираль ДНК раскручивается и разделяется на две части. На каждой отдельной цепи, как на матрице, происходит биосинтез новой цепи ДНК с учетом принципа комплементарности. Вновь образовавшаяся цепь не идентична, но комплементарна исходной матрице. В результате воссоздаются две новые двойные спирали ДНК. Такой процесс называется репликацией, и он лежит в основе обеспечения дочерних клеток молекулами ДНК, идентичных с ДНК родительских клеток. Аналогичным образом на деспирализованном участке цепи ДНК в ядре происходит синтез молекулы матричной (информационной), РНК (и-РНК), которая затем сама служит матрицей для биосинтеза белка в цитоплазме. Возникающая цепь и-РНК комплементарна той цепи ДНК, на которой она синтезируется. При этом адениновому основанию в ДНК будет соответствовать урациловое основание в РНК, а в качестве углеводного остатка в цепи РНК будет использоваться рибоза. Синтез и-РНК является по существу переписыванием, транскрипцией генетической информации с ДНК на и-РНК. Генетическая информация, т.е. информация о синтезе определенных белков, закодирована в нуклеотидной последовательности ДНК. Одну аминокислоту кодирует трехнуклеотидная последовательность, поэтому код называют триплетным. Три нуклеотида, контролирующие включение данной аминокислоты в определенный белок в процессе его биосинтеза, называются кодоном.

Третичная структура ДНК. Выделить и изучить нативную молекулу ДНК из ядер эукариотических организмов чрезвычайно трудно, так как молекулы ДНК разрушаются нуклеазами тканей и подвергаются деструкции в условиях выделения.

К настоящему времени удалось выделить в неповрежденном виде ДНК вирусов, митохондрий, некоторых бактерий. Оказалось, что двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы.

Суперспирализованная структура обеспечивает экономичную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме. У человека ДНК клетки организовано в 23 пары хромосом. Средняя протяженность ДНК хромосомы, включающая 130 млн. пар оснований, имеет среднюю длину 5 см. Понятно, что уместить такой длины ДНК в ядре можно лишь путем ее определенной упаковки. Многократная спирализация ДНК, сопровождающаяся образованием комплексов с белками, и представляет собой ее третичную структуру. В результате образования такой структуры происходит уменьшение размеров ДНК в 100 тысяч раз. Основным компонентом клеточного ядра является хроматин. Фибриллы хроматина представляют собой структуры, напоминающие бусы на нитке: небольшие, около 10 нм глобулы, связанные друг с другом отрезками ДНК длиной около 20 нм. Эти глобулы получили название нуклеосом. Нуклеосомы состоят из ядра, представленного 8 молекулами гистонов и навитой на него по поверхности молекулы ДНК, делающей 1,75 оборота. Структура нуклеосомы поддерживается гистоном Н1. Количество таких частиц в гаплоидном наборе ДНК человека может составлять величину равную 1,5 х 10⁷. Одновременно были обнаружены и фибриллы хроматина с диаметром 25-30 нм, которые могут обратимо превращаться в фибриллы диаметром 10 нм. Полагают, что нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм, образует в свою очередь спиральные витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали приходится 6-7 нуклеосом.

Такие 25-30-нанометровые глобулы получили название нуклеомеров или «сверхбусин». Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК.

Как нуклеосомный, так и нуклеомерный уровни компактизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков, которые соединяются неспецифически с ДНК в бороздках. В ДНК встречаются положительные и отрицательные супервитки, образованные за счет скручивания по часовой или против часовой стрелки двойной спирали. Дальнейшие более высокие уровни организации хроматина, приводящие к еще большей компактизации связаны со специфическим взаимодействием особых участков ДНК с белками негистоновой природы. Это специфическое связывание приводит к дальнейшему формированию в этих участках больших петель или доменов, а электронных микрофотографиях выглядят в виде розеткообразных образований. Эти образования состоят из многих петель 30-нанометровых фибрилл, соединяющихся в общем плотном центре, получили название хромомер. Размер отдельной петли совпадает с размером средних репликонов (единиц репликации ДНК) и может соответствовать одному или нескольким генам. На хромосому в среднем приходится более 2000 таких петельных доменов ДНК. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса. В их состав могут входить как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции.

Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает не только компактизацию хроматина, но и организует функциональные единицы хромосом – репликоны и транскрибируемые гены.

Известны несколько видов клеточных РНК: транспортная РНК (т-РНК), информационная РНК (и-РНК), рибосомная РНК (р-РНК). Они различаются местоположением в клетке, составом и размерами, а также своими функциями. В составе нуклеопротеинов ядра и цитоплазмы обнаруживаются небольшие, стабильные молекулы РНК. Кроме клеточных РНК, имеются вирусные РНК, входящие в состав многих вирусов животных и растений.

На долю т-РНК приходится 10-20% от суммы клеточных РНК; их молекулярная масса 30.000, цепь включает 75-90 нуклеотидных звеньев. Основная роль т-РНК состоит в том, что они транспортируют аминокислоты из цитоплазмы к месту синтеза белка  в рибосомы. Число т-РНК превышает число -аминокислот, участвующих в построении белков.

Это обусловлено тем, что некоторые -аминокислоты переносятся не одной, а несколькими т-РНК. т-РНК состоит из одной полинуклеотидной цепи, в которой встречаются не только 4 стандартных типа рибонуклеотидов (А, Г, Ц, У), но и около 10%, так называемых, минорных оснований. Характерной вторичной структурой для т-РНК является структура, напоминающая по форме "клеверный лист". Основной элемент этой вторичной структуры  сравнительно короткие двойные спирали, образованные комплементарными участками одной и той же цепи  "стебли", в то время как другие участки остаются однотяжевыми, формируя "петли". Так в структуре т-РНК имеются 4 "стебля" и 3 "петли". Стебли носят следующие названия: акцепторный, антикодоновый, D- и Т-стебли. Акцепторный стебель содержит 3'- и 5' -концы полинуклеотидной цепи. 5' -Концевой участок заканчивается, как правило, у всех т-РНК остатком гуаниловой кислоты. 3'-Концевой участок представлен конечным тринуклеотидом ЦЦА. Именно к концевой 3' -гидроксильной группе аденилового нуклеотида т-РНК с помощью сложноэфирной связи присоединяется специфическая аминокислота. D- и Т-стебли названы так потому, что соответствующие петли содержат дигидроуридин (D) и риботимидин (Т). Антикодоновая петля, включает специфический для каждой т-РНК тринуклеотид, называемый антикодоновым. Именно антикодоновым участком т-РНК, связанная с аминокислотой, узнает свой кодон в и-РНК в рибосомах, и, в результате, формируется генетически запрограммированная первичная структура белка. В основе узнавания лежит также принцип комплементарности.

siРНК (small interfering - малые интерферирующие РНК)В класс малых siРНК включают молекулы, содержащие от 20 до 30 нуклеотидов, особенностью этих молекул является то, что они в отличие от большинства других клеточных РНК, состоящих всего из одной цепи нуклеотидов, являются двунитчатыми. Нуклеотиды противоположных цепей siРНК соединяются друг с другом по тем же принципам комплементарности, которые формируют двухцепочечные структуры ДНК в хромосомах. Кроме того, по концам каждой из цепей siРНК всегда остается два неспаренных нуклеотида. В 2002 г. была установлена их способность подавлять экспрессию генов у животных.

В 2006 году «за исследование механизма действия siРНК, выражающейся в «нейтрализации» отдельных генов на этапе передачи генетической иенформации и синтеза белка», двум американским ученым Эндрю Файеру и Крейгу Мелло была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Это достижение открывает заманчивые перспективы в использовании данной технологии в генной инженерии при изучении роли отдельных генов, путем их «выключения», а также лечении ряда вирусных, эндокринных и других заболеваний.

Уже на ранних стадиях эволюции, очевидно, ДНК заменила РНК в качестве носителя генетической информации. Это обусловлено большей устойчивостью ДНК, связанной с заменой рибозы на дезоксирибозу, и двухцепочечным строением ДНК. Благодаря гидрофобным взаимодействиям и водородным связям между двумя комплементарными полинуклеотидными цепями ДНК, реакционноспособные азотистые основания, последовательность которых кодирует информацию, становятся менее доступными.

Однако, несмотря на свои особенности строения, ДНК постоянно подвергается химическим изменениям, как спонтанным, так и индуцируемым мутагенами и даже клеточными метаболитами. Еще одной причиной повреждения ДНК являются радиация и ультрафиолетовое облучение. Большинство изменений ДНК несовместимо с нормальным функционированием клеток: они либо приводят к вредным мутациям, либо блокируют репликацию ДНК и вызывают гибель клеток. Поэтому все клетки имеют специальные системы репарации ДНК.

В ДНК сравнительно часто и спонтанно происходят апуринизация и дезаминирование оснований. Так, ДНК каждой клетки человеческого организма ежедневно теряет около 5.000 пуринов. Результатом апуринизации является АР-сайт (англ. Apurinic-apyrimidinic) — дезоксирибоза, лишенная основания.

При дезаминировании цитозин превращается в урацил, аденин — в гипоксантин, а гуанин — в ксантин.

Наиболее существенные нарушения считывания информации происходят при дезаминировании цитозина и аденина: обе реакции после репликации приводят к мутациям. Чаще всего дезаминируется цитозин; в ДНК каждой клетки за день происходит около 100 таких событий. При дезаминировании азотистых оснований, содержащих аминогруппу, образуются основания, не характерные для ДНК. Это обстоятельство позволяет репаративной системе клетки узнавать продукт дезаминирования и удалять его. Очевидно, что именно поэтому в ДНК, в отличие от РНК, вместо урацила присутствует тимин: урацил неотличим от продукта спонтанного дезаминирования цитозина.

Многие вещества, обладающие канцерогенным действием, алкилируют, например, метилируют, основания ДНК. Наиболее частые продукты этих реакций — О⁶-метилгуанин, 7-метилгуанин и 3-метиладенин. Первое из этих изменений мутагенно. А два других делают более лабильной N-гликозидную связь и могут способствовать апуринизации.

При ряде воздействий может происходить размыкание имидазольного цикла пуринового основания. Образующийся при этом продукт — формамидопиримидин создает затруднения для репликации ДНК.

Основным нарушением, возникающим под действием ультрафиолетового излучения, является насыщение двойных связей азотистых оснований, нарушение ароматичности и плоскостной структуры. В результате образуются пиримидиновые димеры из двух соседних пиримидинов цепи ДНК.