Связь нуклеотидов. Структура и биологическая роль нуклеотидов, нуклеиновых кислот

Нуклеотиды — это сложные биологические вещества, которые играют ключевую роль во многих биологических процессах. Они служат основой для построения ДНК и РНК и, кроме того, отвечают за синтез белков и генетическую память, будучи универсальными источниками энергии. Нуклеотиды входят в состав коферментов, принимают участие в углеводном обмене и синтезе липидов. Кроме того, нуклеотиды являются компонентами активных форм витаминов, в основном группы В (рибофлавин, ниацин). Нуклеотиды способствуют формированию естественного микробиоценоза, предоставляют необходимую энергию для регенеративных процессов в кишечнике, влияют на созревание и нормализацию функционирования гепатоцитов.

Нуклеотиды представляют собой низкомолекулярные соединения, состоящие из азотистых оснований (пурины, пиримидины), пентозного сахара (рибоза или дезоксирибоза) и 1—3 фосфатных групп.

Наиболее распространенные монофосфаты участвуют в метаболических процессах: пурины — аденозинмонофосфат (АМФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ), пиримидины — цитидинмонофосфат (ЦМФ), уридинмонофосфат (УМФ) .

Чем же вызван интерес к проблеме содержания нуклеотидов в детском питании?

До последнего времени считалось, что все необходимые нуклеотиды синтезируются внутри организма, и их не рассматривали как незаменимые питательные вещества. Предполагалось, что нуклеотиды, поступающие с пищей, в основном оказывают «местное действие», определяя рост и развитие тонкого кишечника, обмен липидов и печеночную функцию. Однако последние исследования (материалы сессии ESPGAN, 1997) показали, что эти нуклеотиды становятся необходимыми, когда эндогенного запаса недостаточно : например, при заболеваниях, сопровождающихся энергетическим дефицитом, — тяжелых инфекциях, болезнях потребления, а также в неонатальном периоде, во время быстрого роста ребенка, при иммунодефицитных состояниях и гипоксических повреждениях. При этом общий объем эндогенного синтеза снижается, становится недостаточным для удовлетворения потребностей организма. В таких условиях поступление нуклеотидов с пищей «экономит» в организме расходы энергии для синтеза этих веществ и может оптимизировать функцию тканей. Так, врачи издавна советовали после длительных заболеваний использовать в пищу печень, молоко, мясо, бульоны, т. е. продукты, богатые нуклеотидами.

Дополнительная дотация нуклеотидов с пищей крайне важна при вскармливании младенцев. Нуклеотиды были выделены из женского молока около 30 лет назад. К настоящему времени идентифицированы 13 кислоторастворимых нуклеотидов в женском молоке. Давно известно, что состав женского молока и молока различных видов животных не идентичен. Однако многие годы было принято обращать внимание лишь на основные пищевые компоненты: белки, углеводы, липиды, минералы, витамины. Вместе с тем, нуклеотиды в женском молоке существенно отличаются, причем не только по количеству, но и по составу от нуклеотидов в коровьем молоке. Так, например, оротат, главный нуклеотид коровьего молока, содержащийся в значительных количествах даже в адаптированных молочных смесях, не присутствует в женском молоке.

Нуклеотиды являются компонентом небелковой азотной фракции грудного молока. Небелковый азот отвечает приблизительно за 25% общего азота в грудном молоке и содержит аминосахара и карнитин, которые играют особую роль в развитии новорожденных. Нуклеотидовый азот может способствовать наиболее эффективному употреблению белка у младенцев, вскармливаемых грудным молоком, получающих сравнительно меньше белка по сравнению с детьми, которых вскармливают искусственными смесями.

Было выявлено, что в женском молоке концентрация нуклеотидов превышает их содержание в сыворотке крови. Это говорит о том, что грудные железы женщины синтезируют дополнительное количество нуклеотидов, которые поступают в грудное молоко. Также имеются различия в содержании нуклеотидов по стадиям лактации. Так, наибольшее количество нуклеотидов в молоке определяется на 2-4-м месяце, и затем их содержание после 6-7-го месяца начинает постепенно снижаться.

Раннее зрелое молоко содержит преимущественно мононуклеотиды (АМФ, ЦМФ, ГМФ). Их количество в позднем зрелом молоке выше, чем в молозиве, однако меньше, чем в молоке первого месяца лактации.

Концентрация нуклеотидов в грудном молоке на порядок выше зимой, чем в аналогичные сроки кормления в летний период.

Эти данные могут свидетельствовать о том, что в клетках грудных желез происходит дополнительный синтез нуклеотидов, так как в первые месяцы жизни извне поступающие вещества поддерживают необходимый уровень метаболизма и энергетического обмена ребенка. Увеличение синтеза нуклеотидов в грудном молоке в зимний период является защитным механизмом: в это время года ребенок больше подвержен инфекции и легче развивается витаминная и минеральная недостаточность.

Как указывалось выше, состав и концентрация нуклеотидов в молоке всех видов млекопитающих различаются, но всегда их количество ниже, чем в грудном молоке. Это, по-видимому, связано с тем, что потребность в экзогенных нуклеотидах особенно высока у беззащитных детенышей .

Грудное молоко — это не только наиболее сбалансированный продукт для рационального развития ребенка, но и тонкая физиологическая система, способная меняться в зависимости от нужд ребенка. Грудное молоко еще долго будет всесторонне изучаться, причем не только количественный и качественный его состав, но и роль отдельных ингредиентов в функционировании систем растущего и формирующегося организма. Смеси для искусственного вскармливания грудных детей также будут совершенствоваться и постепенно превратятся в настоящие «заменители грудного молока». Данные о том, что нуклеотиды грудного молока имеют более широкое физиологическое значение для растущего и развивающегося организма, послужили основанием для введения их в смеси для детского питания и приближения по концентрации и составу к таковым в грудном молоке .

Следующим этапом исследований стала попытка установить влияние нуклеотидов, введенных в детские смеси, на созревание плода и развитие младенца.

Наиболее наглядными оказались данные об активации иммунной системы ребенка . Как известно, IgG регистрируется еще внутриутробно, IgM начинает синтезироваться сразу после рождения ребенка, IgA синтезируется наиболее медленно, и активный его синтез возникает к концу 2-3-го месяца жизни. Эффективность их выработки во многом определяется зрелостью иммунного ответа.

Для исследования были сформированы 3 группы: дети, получавшие только грудное молоко, только смеси с нуклеотидами и молочные смеси без нуклеотидов.

В результате было выявлено, что дети, получавшие формулы с нуклеотидными добавками, к концу 1-го месяца жизни и на 3-м месяце имели уровень синтеза иммуноглобулина М, примерно равный таковому у детей, находящихся на грудном вскармливании, но значительно более высокий, чем у детей, получавших простую смесь. Аналогичные результаты получены и при анализе уровня синтеза иммуноглобулина А .

Зрелость иммунной системы определяет эффективность вакцинопрофилактики, ведь способность к формированию иммунного ответа на прививку — это один из показателей выработки иммунитета на первом году жизни. Для примера исследовали уровень выработки антител к дифтерии у детей, находящихся на «нуклеотидной» формуле, грудном вскармливании и смесях без нуклеотидов. Уровень антител измерялся через 1 месяц после первой и после последней вакцинации. Установлено, что даже первые показатели были выше, а вторые — достоверно выше у детей, получавших смеси с нуклеотидами .

При исследовании влияния вскармливания смесью с нуклеотидами на физическое и психомоторное развитие детей отмечена тенденция к лучшей прибавке массы и более быстрому становлению моторной и психической функции .

Кроме того, есть данные, что дотация нуклеотидов способствует более быстрому созреванию нервной ткани, функций мозга и зрительного анализатора, что крайне актуально для недоношенных и морфофункционально незрелых детей, а также малышей с офтальмологическими проблемами .

Всем известны проблемы со становлением микробиоценоза у детей раннего возраста, особенно в первые месяцы. Это явления диспепсии, кишечные колики, повышенный метеоризм. Потребление «нуклеотидных» смесей позволяет быстрее нормализовать ситуацию, без необходимости коррекции пробиотиками. У детей, получавших смеси с нуклеотидами, реже отмечались дисфункция желудочно-кишечного тракта, неустойчивость стула, они легче переносили введение последующего прикорма.

Однако при применении смесей с нуклеотидами необходимо иметь в виду, что они сокращают частоту стула, поэтому детям с запорами их следует рекомендовать с осторожностью .

Особое значение эти смеси могут иметь у детей с гипотрофией, анемией, а также перенесших гипоксические нарушения в неонатальном периоде. Смеси с нуклеотидами помогают решить ряд проблем, возникающих при выхаживании недоношенных детей. В частности, речь идет о плохом аппетите и низкой прибавке массы тела в течение всего первого года жизни, кроме того, употребление смесей способствует более полноценному психомоторному развитию малышей .

Исходя из вышеизложенного применение смесей с нуклеотидными добавками для нас, врачей, представляет большой интерес. Рекомендовать эти смеси мы можем большому кругу детей, тем более что смеси не являются лечебными. Вместе с тем, мы считаем важным указать на возможность индивидуальных вкусовых реакций у детей раннего возраста, особенно при переводе ребенка с обычной смеси на нуклеотидсодержащую. Так, в некоторых случаях, даже при использовании смесей одной фирмы, мы отмечали у ребенка негативные реакции, вплоть до отказа от предлагаемой смеси. Однако все литературные источники утверждают, что нуклеотиды не только не влияют отрицательно на вкусовые качества, но и, напротив, улучшают их, не изменяя органолептических свойств смеси .

Представляем обзор смесей, содержащих нуклеотидные добавки и имеющихся на нашем рынке . Это сывороточные смеси фирмы «Фризленд Ньютришн» (Голландия) «Фрисолак», «Фрисомел», в которых содержатся 4 нуклеотида, идентичных нуклеотидам женского молока; сывороточная смесь «Мамекс» (Intern Nutrition, Дания), НАН («Нестле», Швейцария), «Энфамил» («Мид Джонсон», США), смесь «Симилак формула плюс» («Эббот Лабораториз», Испания/США). Количество и состав нуклеотидов в этих смесях разные, что определяется фирмой-производителем.

Все фирмы-изготовители стараются подобрать соотношение и состав нуклеотидов, приблизив его, насколько возможно технически и биохимически, к аналогичным показателям грудного молока. Совершенно ясно, что механический подход не является физиологическим. Безусловно, введение нуклеотидов в смеси для детского питания — это революционный шаг в производстве заменителей грудного молока, способствующий максимальному приближению к составу женского грудного молока. Однако никакая смесь пока не может считаться физиологически полностью идентичной этому единственному, универсальному и необходимому ребенку продукту.

Литература

1. Gyorgy. P. Biochemical aspects. Am.Y.Clin. Nutr. 24(8), 970-975.
2. Europan society for Pediatric Gastroenterology and Nutrition (ESPGAN). Committee on Nutrition: Guidelines on infant nutrition I. Recommendations on the composition of an adapted formula. Asta Paediatr Scand 1977; Suppl 262: 1-42.
3. James L. Leach, Jeffreu H. Baxter, Bruce E. Molitor, Mary B. Ramstac, Marc L\ Masor. Все потенциально имеющиеся нуклеотиды материнского молока на стадии лактации//Американский журнал клинического питания. - Июнь 1995. - Т. 61. - №6. - С. 1224-30.
4. Carver J. D., Pimental B., Cox WI, Barmess L. A. Dietary nucleotidi effects upon immune function in infаnts. Pediatrics 1991; 88; 359-363.
5. Uauy. R., Stringel G., Thomas R. and Quan R . (1990) Effect of dietari nucleosides on growth and maturation of the developing gut in the rat. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 10, 497-503.
6. Brunser O., Espinosa J., Araya М., Gruchet S. and Gil А. (1994) Effect of dietari nucleotide suppementation on diarrhoeal disease in infants. Asta Paediatr. 883. 188-191.
7. Кешишян Е. С., Бердникова Е. К.//Смеси с нуклеотидными добавками для вскармливания детей первого года жизни//Детское питание XXI века. - С. 24.
8. Дэвид. Новые технологии улучшения продуктов детского питания//Педиатрия. - 1997. - №1. - С. 61-62.
9. Кешишян Е. С., Бердникова Е. К. Смеси с нуклеотидными добавками для вскармливания грудных детей. Ожидаемый эффект//Педиатрия. Consilium medicum. - Приложение №2. - 2002. - С. 27-30.

Е. С. Кешишян, доктор медицинских наук, профессор
Е. К. Бердникова
МНИИ педиатрии и детской хирургии Минздрава РФ, Москва

Нуклеотиды.

Нуклеиновые кислоты

Нуклеотиды

Нуклеотиды – это природные соединения, состоящие из 1) остатков азотистого нуклеинового основания, 2) углеводного остатка и 3) фосфатной группы.

Азотистые нуклеиновые основания

Азотистые основания – это производные двух гетероциклов - пиримидина и пурина .

Пиримидиновые основания

Пуриновые основания

ТАУТОМЕРИЯ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ

а) лактам-лактимная

Аналогичная таутомерия возможна у тимина, цитозина и гуанина.

б) амино-иминная

Аналогичная таутомерия возможна у гуанина и цитозина.

Лактамы более устойчивы, чем лактимы, а амины более устойчивы, чем имины. Все основания in vitro и in vivo существуют и участвуют в обмене веществ в лактамных и аминоформах.

Производные и аналоги нуклеиновых оснований применяются в медицине как лекарственные вещества противоопухолевого действия:

Нуклеозиды

Нуклеозиды – это соединения, состоящие из остатков нуклеинового основания и углевода, связанных β- N -гликозидной связью.

Реакция образования нуклеозидов in vivo идет под действием ферментов.

В кислой среде (но не в нейтральной и не в щелочной) нуклеозиды гидролизуются, распадаясь на исходные основание и углевод. Пиримидиновые нуклеозиды гидролизуются труднее, пуриновые – легче.

Номенклатура нуклеозидов

Нуклеотиды

Нуклеотиды – это нуклеозиды, содержащие фосфатную группу в 5"-положении (5"-фосфоридированные нуклеозиды).

Нуклеотиды образуются in vivo в результате ферментативного фосфорилирования нуклеозидов:

Нуклеотиды гидролизуются в кислой и в щелочной средах: при кислотном гидролизе образуются основание, углевод и фосфорная кислота, а щелочной гидролиз дает нуклеозид и фосфат натрия:

Номенклатура нуклеотидов

Динуклеотиды

НАД и ФАД – коферменты, участвующие в ОВ реакциях переноса водорода в организме:

Аденозинтрифосфат (АТФ)

АТФ является аккумулятором и переносчиком энергии в биохимических реакциях.

Биологические реакции АТФ

1. Фосфорилирование – перенос фосфатных групп от АТФ на другие субстраты:

2. Гидролиз с выделением энергии, используемой в синтетазных реакциях:

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты – это полинуклеотиды – полимеры, состоящие из нуклеотидных остатков, связанных сахарофосфатными сложноэфирными связями.

Схема строения полинуклеотидной цепи:

Виды НК : ДНК – содержат остатки 2 -дезоксирибозы, не содержат урацила;

Д Н К

Первичная структура ДНК

Первичная структура ДНК – это определенный порядок последовательности нуклеотидов в цепи:

В первичной структуре ядерной ДНК заложен генетический код. В процессе транскрипции он "переписывается" на информационную РНК, а затем происходит трансляция: в рибосоме на матрице информационной РНК синтезируется полипептидная цепь белка. Ключ генетического кода заключается в том, что один аминокислотный остаток в синтезируемой полипептидной цепи кодируется тремя нуклеотидными остатками (триплетом) в НК, и таким образом, с помощью 4 видов нуклеотидов кодируются 20 аминокислот.

Химические свойства нуклеиновых кислот

Сложноэфирные связи, соединяющие полинуклеотидные цепи, неустойчивы в кислой и щелочной средах, и НК в этих условиях подвергаются гидролизу:

КОМПЛЕМЕНТАРНОСТЬ АЗОТИСТЫХ ОСНОВАНИЙ

Комплементарность – это соответствие формы двух сложных линий, которые подходят друг к другу "как ключ к замку".

Комплементарные пары оснований:

В паре А-Т тимин может быть (при переходе ДНК→РНК) заменен урацилом, и пара становится А-У ("взаимозаменяемость" тимина и урацила).

Биологическое значение комплементарных взаимодействий заключается в том, что они обеспечивают точность передачи информации от одной НК к другой.

Вторичная структура ДНК

Представляет собой спираль, состоящую из двух комплементарных друг другу и антипараллельных полинуклеотидных цепей ("двойная спираль"):

Биологическая роль "двойной спирали":

1) Она обеспечивает сохранность генетической информации (ядерный нуклеопротеидный комплекс "ДНК-Гистоны");

2) Обеспечивает восстановление информации при повреждении ДНК (репарация после мутаций).

Р Н К

Виды РНК : рибосомальная, информационная, транспортная.

Рибосомальная РНК (р-РНК) – структурный материал рибосом (рибосомальный нуклеопротеидный клмплекс).

Информационная (матричная) РНК (и-РНК) – промежуточный этап в процессе трансформации информации "ДНК – белок". Она синтезируется на матрице ДНК и сама служит матрицей при синтезе белка в рибосоме. и-РНК сравнительно низкомолекулярна и не имеет развитой вторичной структуры.

Транспортная РНК (т-РНК) – низкомолекулярная РНК, выполняющая следующие функции: 1) определение "своей" аминокислоты (для каждой АК существует своя т-РНК); 2) связывание с АК и транспорт её к рибосоме; 3) определение места АК в растущей полипептидной цепи.

Транспортные РНК имеют вторичную структуру "клеверного листа":

Выступающий конец ССА-3 ОН – место связывания с карбоксильной группой АК.

Триплет нуклеотидов в крайней нижней точке – кодон, комплементарный соответствующему антикодону на и-РНК.

ЛИТЕРАТУРА:

Основная

1. Тюкавкина Н.А., Зурабян С.Э., Белобородов В.Л. и др. – Органическая химия (специальный курс), кн.2 – Дрофа, М., 2008 г., с. 157-178.

2. Н.А.Тюкавкина, Ю.И.Бауков – Биоорганическая химия – ДРОФА, М., 2007 г., с. 420-444.

В организме человека находится большое количество органических соединений, без которых невозможно представить стабильное течение обменных процессов, поддерживающих жизнедеятельность всех . Одними из таких веществ являются нуклеотиды – это фосфорные эфиры нуклеозидов, которые играют важнейшую роль в передаче информационных данных, а также химических реакциях с выделением внутриклеточной энергии.

Как самостоятельные органические единицы формируют наполнительный состав всех нуклеиновых кислот и большинства коферментов. Рассмотрим более подробно, что такое нуклеозидфосфаты и какую роль они играют в человеческом организме.

Из чего состоит вещество нуклеотид. Оно считается крайне сложным эфиром, относящимся к группе кислот фосфора и нуклеозидов, которые по своим биохимическим свойствам относятся к числу N-гликозидов и содержат гетероциклические фрагменты, связанные с молекулами глюкозы и атомом азота.

В природе наиболее распространенными являются нуклеотиды ДНК.

Кроме этого, еще различают органические вещества с похожими характеристиками строения: рибонуклеотиды, а также дезоксирибонуклеотиды. Все они без исключения являются мономерными молекулами, относящимися к сложным по строению биологическим веществам полимерного типа.

Из них формируется РНК и ДНК всех живых существ, начиная от простейших микроорганизмов и вирусных инфекций, заканчивая человеческим организмом.

Остаток молекулярной структуры фосфора среди нуклеозидфосфатов, образует эфирную связь с двумя, тремя, а в некоторых случаях сразу с пятью гидроксильными группами. Практически все без исключения нуклеотиды относятся к числу эфирных веществ, которые образовались из остатков ортофосфорной кислоты, поэтому их связи устойчивы и не распадаются под воздействием неблагоприятных факторов внутренней и внешней среды.

Обратите внимание! Строение нуклеотидов всегда сложное и основывается на моноэфирах. Последовательность нуклеотидов может меняться под воздействием стрессовых факторов.

Биологическая роль

Влияние нуклеотидов на течение всех процессов в организме живых существ изучают ученые, которые исследуют молекулярное строение внутриклеточного пространства.

Исходя из лабораторных заключений, полученных по итогам многолетней работы ученых различных стран мира, выделяют следующую роль нуклеозидфосфатов:

• универсальный источник жизненной энергии, за счет которой происходит питание клеток и соответственно поддерживается нормальная работа тканей, формирующих внутренние органы, биологические жидкости, эпителиальный покров, сосудистую систему;
• являются транспортировщиками глюкозных мономеров в клетках любого типа (это одна из форм углеводного обмена, когда употребляемый сахар, под воздействием пищеварительных ферментов трансформируется в глюкозу, которая разносится в каждый уголок организма вместе с нуклеозидфосфатами);
• выполняют функцию кофермента (витаминные и минеральные соединения, которые способствуют обеспечению клеток питательными веществами);
• сложные и циклические мононуклеотиды являются биологическими проводниками гормонов, распространяющихся вместе с потоком крови, а также усиливают действие нейронных импульсов;
• аллостерическим образом регулируют активность пищеварительных ферментов, вырабатываемых тканями поджелудочной железы.

Нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот. Они соединены тремя и пятью связями фосфодиэфирного типа. Генетики и ученые, посвятившие свою жизнь молекулярной биологии, продолжают лабораторные исследования нуклеозидфосфатов, поэтому ежегодно мир узнает еще больше интересного о свойствах нуклеотидов.

Последовательность нуклеотидов – это разновидность генетического равновесия и баланса расположения аминокислот в структуре ДНК, своеобразный порядок размещения остатков эфира в составе нуклеиновых кислот.

Он определяется с помощью традиционного метода секвенирования отобранного для анализа биологического материала.

Т – тимин;

А – аденин;

G – гуанин;

С – цитозин;

R – GA аденин в комплексе с гуанином и основаниями пурина;

Y – TC пиримидиновые соединения;

K – GT нуклеотиды, содержащие кетогруппу;

M – AC входящие в аминогруппу;

S – GC мощные, отличающиеся тремя водородными соединениями;

W – AT неустойчивые, которые образуют только по две водородные связи.

Последовательность нуклеотидов может меняться, а обозначения латинскими буквами необходимы в тех случаях, когда порядок расположения эфирных соединений неизвестен, является несущественным либо уже имеются результаты первичных исследований.

Наибольшее количество вариантов и комбинаций нуклеозидфосфатов свойственно для ДНК. Для записи эфирных соединений РНК достаточно символов A, С, G, U. Последнее литерное обозначение является веществом уридин, которое встречается только в РНК. Последовательность символических обозначений всегда записывается без использования пробелов.

Полезное видео: нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК)

Сколько нуклеотидов в ДНК

Для того, чтобы максимально подробно понимать, о чем идет речь, следует иметь четкое представление о самой ДНК. Это отдельный вид молекул, которые имеют вытянутую форму и состоят из структурных элементов, а именно – нуклеозидфосфатов. Какое количество нуклеотидов в ДНК? Существует 4 вида эфирных соединений данного типа, входящие в состав ДНК. Это аденин, тимин, цитозин и гуанин. Все они формируют единую цепочку, из которой и образовывается молекулярная структура ДНК.

Впервые строение ДНК было расшифровано в далеком 1953 году американскими учеными Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном. В одной молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты содержится по две цепочки нуклеозидфосфатов. Они размещены таким образом, что внешне напоминают спираль, закручивающуюся вокруг своей оси.

Обратите внимание! Количество нуклеотидов в ДНК неизменное и ограничивается только четырьмя видами — данное открытие приблизило человечество к расшифровке полного генетического кода человека.

При этом строение молекулы имеет одну важную особенность. Все нуклеотидные цепочки обладают свойством комплементарности. Это означает, что друг напротив друга размещаются только эфирные соединения определенного вида. Известно, что напротив тимина всегда расположен аденин. Напротив цитозина не может находится никакое другое вещество кроме гуанина. Такие нуклеотидные пары формируют принцип комплементарности и являются неразделимыми.

Масса и длина

С помощью сложных математических подсчетов и лабораторных исследований, ученым удалось установить точные физико-биологические свойства эфирных соединений, формирующих молекулярную структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Известно, что протяжная длина одного внутриклеточного остатка, состоящего из аминокислот в единой полипептидной цепи – 3,5 ангстрем. Средняя масса одного молекулярного остатка равна 110 а.е.м.

Кроме этого, еще выделяют мономеры нуклеотидного типа, которые сформированы не только из аминокислот, но имеют и эфирные составляющие. Это мономеры ДНК и РНК. Их линейная длина измеряется непосредственно внутри нуклеиновой кислоты и составляет не менее 3,4 ангстрем. Молекулярный вес одного нуклеозидфосфата находится в пределах 345 а.е.м. Это исходные данные, которые используются в практической лабораторной работе, посвященной опытам, генетическим исследованиям и прочей научной деятельности.

Медицинские обозначения

Генетика, как наука, развивалась еще в период, когда не было исследований строения ДНК человека и других живых существ на молекулярном уровне. Поэтому в период домолекулярной генетики нуклеотидные связи обозначались, как наименьший элемент в структуре молекулы ДНК. Как ранее, так и в настоящее время, эфирные вещества данного типа были подвержены . Она могла быть спонтанной или индуцированной, потому для обозначения нуклеозидфосфатов с поврежденной структурой еще используют термин «рекон».

Для определения понятия наступления возможной мутации в азотистых соединениях нуклеотидных связей, применяют термин «мутон». Данные обозначения больше востребованы в лабораторной работе с биологическим материалом. Также используются учеными генетиками, которые изучают устройство молекул ДНК, пути передачи наследственной информации, способы ее шифрования и возможные комбинации генов, получаемых в результате слияния генетического потенциала двух половых партнеров.

Полезное видео: строение нуклеотида

Вывод

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод, что нуклеозидфосфаты – это важная составляющая часть внутриклеточного устройства в организме человека и любого живого существа. За счет эфирных веществ данного типа передается большая часть не только генетической информации от родителей к потомкам, но и осуществляются обменные процессы в тканях всех жизненно важных органов.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тыс. до 1 млн и более.

Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты назы- вают полинуклеотидами.

Обычно «неделимое» мономерное звено (например, аминокислотный остаток в белках) у нуклеотидов представляет собой трехкомпонентное образование, включающее гетероциклическое основание, углеводный остаток и фосфатную группу.

Углеводными компонентами служат пентозы - D-рибоза и 2-дезокси-э-рибоза. В зависимости от этого нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеиновые (РНК), содержащие рибозу, и дезоксирибо- нуклеиновые (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК находятся преимущественно в рибосомах, а также протоплазме клеток. РНК непосредственно участвуют в биосинтезе белка.

14.1. Нуклеотиды

14.1.1. Нуклеозиды

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

Нуклеиновые основания в качестве заместителей в гетероцикле могут содержать:

Либо оксогруппу, как в урациле и тимине;

Либо аминогруппу, как в аденине;

Либо одновременно обе эти группы, как в цитозине и гуанине.

Кислородсодержащие основания представлены лактамными таутомерными формами, в которых ароматичность не нарушена (см. 13.4). Для всех оснований приняты сокращенные трехбуквенные обозначения, составленные из первых букв их латинских названий.

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

в ДНК:

Нуклеиновые основания образуют связь за счет одного из атомов азота с аномерным центром пентозы (D-рибозы или 2-дезокси-D- рибозы). Этот тип связи аналогичен обычной гликозидной связи и известен как N-гликозидная связь, а сами гликозиды - как N-гликози- ды. В химии нуклеиновых кислот их называют нуклеозидами.

В состав природных нуклеозидов пентозы входят в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со штрихом). Гликозидная связь осуществляется с атомом азота N-1 пиримидинового и N-9 пуринового оснований.

Природные нуклеозиды всегда являются β -аномерами.

В зависимости от природы углеводного остатка различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. Для нуклеозидов употребительны названия, производимые от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов.

Исключение составляет название «тимидин» (а не дезокситимидин), используемое для дезоксирибозида тимина, входящего в состав ДНК. В тех редких случаях, когда тимин встречается в РНК, соответствующий нуклеозид называется риботимидином.

Трехбуквенные символы нуклеозидов отличаются от символов оснований последней буквой. Однобуквенные символы применяются только для остатков (радикалов) нуклеозидов в более сложных структурах.

Нуклеозиды устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но гидролизуются в кислой. Пуриновые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые труднее.

В качестве лекарственных средств в онкологии используют синтетические производные пиримидинового и пуринового рядов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае - на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т. е. являющиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает

в роли антагониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин - аденина. Конкурируя с метаболитами, они нарушают синтез нуклеиновых кислот в организме на разных этапах.

14.1.2. Нуклеотиды

Нуклеотидами называют фосфаты нуклеозидов. Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5" или С-3" в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезоксирибонуклеотиды).

Общий принцип строения нуклеотидов показан на примере фосфатов аденозина. Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеотида используются сложноэфирная и N-гликозидная связи.

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

За счет фосфатного остатка нуклеотиды проявляют свойства двухосновной кислоты и в физиологических условиях при рН ~7 находятся в полностью ионизированном состоянии.

Для нуклеотидов используют два вида названий (табл. 14.1). Одно включает наименование нуклеозида с указанием положения в нем фосфатного остатка, например, аденозин-3"-фосфат, уридин-5"-фос- фат; другое строится с добавлением сочетания -иловая кислота к названию остатка пиримидинового основания, например, 5"-уридило- вая кислота, или пуринового основания, например 3"-адениловая кислота.

Используя принятый для нуклеозидов однобуквенный код, 5"-фосфаты записывают с добавлением латинской буквы «р» перед символом нуклеозида, 3"-фосфаты - после символа нуклеозида. Аденозин-5"-фосфат обозначается рА, аденозин-3"-фосфат - Ар и т. п. Эти сокращенные обозначения используют для записи последовательности нуклеотидных остатков в нуклеиновых кислотах. По отношению к свободным нуклеотидам в биохимической литера-

туре широко используют их названия как монофосфатов с отражением этого признака в сокращенном коде, например АМР (или АМФ) для аденозин-5"-фосфата и т. д. (см. табл. 14.1).

Таблица 14.1. Важнейшие нуклеотиды, входящие в состав нуклеиновых кислот

Циклофосфаты. К ним относятся нуклеотиды, у которых одна молекула фосфорной кислоты этерифицирует одновременно две гидроксильные группы углеводного остатка. Практически во всех клетках присутствуют два нуклеозидциклофосфата - аденозин-3",5"- циклофосфат (cAMP) и гуанозин-3",5"-циклофосфат (cGMP).

14.2. Структура нуклеиновых кислот

14.2.1. Первичная структура

В полинуклеотидных цепях нуклеотидные звенья связаны через фосфатную группу. Фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с С-3" предыдущего и с С-5" последующего нуклеотидных звеньев (рис. 14.1). Каркас цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам. Нуклеотид со свободной 5"-ОН группой называют 5"-концевым, а нуклеотид со свободной З"-ОН группой - З"-концевым.

На рисунке 14.2 приведено строение произвольного участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеиновых основания. Легко представить, какое множество сочетаний можно получить путем варьирования последовательности четырех нуклеотидных остатков. Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК служит D-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.

Для удобства записи первичной структуры существует несколько способов сокращений. Один из них заключается в использовании ранее приведенных сокращенных названий нуклеозидов. Например, показанный на рис. 14.2 фрагмент цепи ДНК может быть записан

Рис. 14.1. Общий принцип строения полинуклеотидной цепи

Рис. 14.2. Первичная структура участка цепи ДНК

как d(ApCpGpTp...) или d(A-C-G-T...). Часто букву d опускают, если очевидно, что речь идет о ДНК.

Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, т. е. набор и количественное отношение нуклеотидных компонентов. Нуклеотидный состав устанавливают, как правило, путем исследования продуктов гидролитического расщепления нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК различаются поведением в условиях щелочного и кислотного гидролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде. РНК легко гидролизуются в мягких условиях в щелочной среде до нуклеотидов, которые, в свою очередь, способны в щелочной среде отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. Нуклеозиды в кислой среде гидролизуются до гетероциклических оснований и углеводов.

14.2.2. Вторичная структура ДНК

Под вторичной структурой понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. Согласно модели Уотсона-Крика молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Пуриновые и пиримидиновые основания направлены внутрь спирали. Между пуриновым основанием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи возникают водородные связи. Эти основа- ния составляют комплементарные пары.

Водородные связи образуются между аминогруппой одного основания и карбонильной группой другого -NH...O=C- , а также между амидным и иминным атомами азота -NH...N-Например, как показано ниже, между аденином и тимином образуются две водородные связи, и эти основания составляют комплементарную пару, т. е. аденину в одной цепи будет соответствовать тимин в другой цепи. Другую пару комплементарных оснований составляют гуанин и цитозин, между которыми возникают три водородные связи.

Водородные связи между комплементарными основаниями - один из видов взаимодействий, стабилизирующих двойную спираль. Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой. Это означает, что первичная структура, т. е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи (рис. 14.3).

Рис. 14.3. Комплементарность полинуклеотидных цепей в двойной спирали

ДНК

14.3. Нуклеотидные коферменты

Нуклеотиды имеют большое значение не только как строительный материал для нуклеиновых кислот. Они участвуют в биохими- ческих процессах и особенно важны в роли коферментов, т. е. веществ, тесно связанных с ферментами и необходимых для проявления ими ферментативной активности.

14.3.1. Нуклеозидполифосфаты

Во всех тканях организма содержатся моно-, ди- и трифосфаты нуклеозидов. Особенно широко известны аденинсодержащие нук- леотиды - аденозин-5"-фосфат (АМР), аденозин-5"-дифосфат (ADP)

и аденозин-5"-трифосфат (ATP) (для этих соединений наряду с приведенными сокращенными обозначениями латинскими буквами в оте- чественной литературе используют сокращения соответствующих русских названий - АМФ, АДФ, АТФ).

Нуклеотиды, фосфорилированные в разной степени, способны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепления фос- фатных групп. Дифосфатная группа содержит одну, а трифосфатная - две ангидридные связи, называемые макроэргическими, поскольку они обладают большим запасом энергии. Необходимые для образования такой связи энергетические затраты восполняются за счет энергии, выделяемой в процессе метаболизма углеводов. При расщеплении макроэргической связи Р~О (обозначаемой волнистой линией) выделяется ~32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках.

В показанных ниже взаимопревращениях АМФ, АДФ и АТФ формулы этих соединений соответствуют их неионизированному состоянию. В физиологических условиях при рН ~7 фосфатные группы почти полностью ионизированы, поэтому в биохимической литературе эти и любые другие нуклеотиды записывают соответственно в виде анионов.

Нуклеозидполифосфаты в биохимических процессах. С участием АТФ и АДФ в организме осуществляется важнейший биохимический процесс - перенос фосфатных групп. Например, образование сложных эфиров (фосфатов) - типичная реакция в метаболизме углеводов. Все стадии гликолиза (превращения глюкозы в пируват) осуществляются только в фосфатной форме. Получение фосфатов гидроксилсодержа- щих соединений можно представить в виде общей схемы.

Так, галактоза, образующаяся при расщеплении лактозы, на начальной стадии метаболического превращения в глюкозу взаимо- действует с АТФ с образованием монофосфата.

14.3.2. Никотинамиднуклеотиды

Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (NAD, или в русской литературе НАД) и его фосфат (NADP, или НАДФ). Эти соединения выполняют важную роль коферментов в осуществлении многих

окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) форме.

Структурным фрагментом НАД + и НАДФ + является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В составе НАДН и НАДФН этот фрагмент превращается в остаток 1,4-дигидропиридина.

В ходе биологического дегидрирования субстрат теряет два атома водорода, т. е. два протона и два электрона (2Н+, 2е) или протон и гидрид-ион (Н+ и Н -). Кофермент НАД+ обычно рассматривается как акцептор гидрид-иона Н - (хотя окончательно не установлено, происходит ли перенос атома водорода к этому коферменту одновременно с переносом электрона или эти процессы протекают раздельно).

В результате восстановления путем присоединения гидрид-иона к НАД+ пиридиниевое кольцо переходит в 1,4-дигидропиридиновый фрагмент. Этот процесс обратим.

В реакции окисления ароматический пиридиниевый цикл переходит в неароматический 1,4-дигидропиридиновый цикл. В связи с потерей ароматичности возрастает энергия НАДН по сравнению с НАД + . Таким способом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.

Типичными примерами биохимических реакций с участием НАД+ служат окисление спиртовых групп в альдегидные (например, пре- вращение ретинола в ретиналь, см. 15.4), а с участием НАДН - восстановление карбонильных групп в спиртовые (превращение пировиноградной кислоты в молочную, см. 9.2.3).