Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ

ГЛАВА 3. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ. НУКЛЕОТИДИ

Нуклеїнові кислоти — дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК) та рибонуклеїнові кислоти (РНК) — це полінуклеотиди, що складаються з мономерних ланок — нуклеотидів (мононуклеотидів).

Нуклеотиди — трикомпонентні сполуки, які побудовані з азотистої основи пуринового чи піримідинового ряду, залишків пентоз (рибози або дезоксирибози) та фосфату.

Нуклеїнові кислоти є високомолекулярними сполуками з молекулярною масою від декількох тисяч (транспортні РНК) до кількох мільйонів дальтон (ДНК еукаріотів). Це біополімери, які разом із білками належать до класу інформаційних біомакромолекул. Нуклеїнові кислоти виконують ряд унікальних біологічних функцій, не властивих іншим біополімерам: забезпечують збереження і передавання нащадкам спадкової інформації, беруть безпосередню участь у механізмах її реалізації шляхом програмування матричного синтезу всіх білків індивідуального організму.

Нуклеотиди є структурними компонентами (мономерними ланками) молекул нуклеїнових кислот — ДНК та РНК. Крім того, деякі рибонуклеотиди та їх похідні, що не входять до складу нуклеїнових кислот (вільні нуклеотиди), виконують функції коферментів, кофакторів, алостеричних ефекторів різних ферментних систем. Особливе значення вільні нуклеотиди мають у ферментних процесах, що пов’язані з акумулюванням, зберіганням та міжмолекулярним перенесенням енергії в клітинах.

3.1. НУКЛЕОТИДИ: СТРУКТУРА, БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ

Структура нуклеотидів

За умов повного гідролізу нуклеїнових кислот (кислотного або лужного) в гідролізатах виявляють пуринові та піримідинові азотисті основи, пентози (D-рибоза або 2-дезокси-D-рибоза) та фосфорну кислоту.

В основі структури азотистих основ нуклеотидів лежать ароматичні гетероциклічні сполуки пурин та піримідин.

Пуринові основи нуклеїнових кислот

У гідролізатах нуклеїнових кислот постійно містяться дві пуринові основи — аденін (А) та гуанін (Г), — що мають таку будову:

Піримідинові основи нуклеїнових кислот

До складу нуклеотидів нуклеїнових кислот входять три головні піримідинові основи: урацил (У), тимін (Т), цитозин (Ц).

Оксипохідні пурину та піримідину можуть перебувати у двох таутомерних формах — лактамних і лактимних, — залежно від рН середовища. У складі нуклеотидів нуклеїнових кислот оксипохідні пурину та піримідину знаходяться в лактамній формі, що сприяє утворенню міжмолекулярних водневих зв’язків між пуринами та піримідинами окремих ланцюгів у дволанцюговій структурі молекул ДНК та в одноланцюгових РНК.

Нуклеозиди — двокомпонентні біоорганічні молекули, що складаються з азотистої основи (англ. “Base” — основа) пуринового чи піримідинового ряду та пентози (D-рибози або 2-дезокси-D-рибози). Із точки зору хімічної структури нуклеозиди є N-глікозидами рибози або дезоксирибози та відповідної азотистої основи. В утворенні відповідних N-глікозидних зв’язків у піримідинових нуклеозидах беруть участь N-1 піримідину та С-1 пентози, а в пуринових—N-9 пурину та С-1 пентози.

Фосфорилювання (ацилювання фосфорною кислотою) певного гідроксилу в пентозі, що входить до складу нуклеозиду, призводить до утворення нуклеотиду (нуклеозидфосфату). Нуклеотиди (та нуклеозиди) ДНК містять 2-дезокси-D-рибозу, РНК — D-рибозу:

Залежно від місця фосфорилювання пентозного гідроксилу, розрізняють три типи нуклеотидів (нуклеозидмонофосфатів, НМФ):

У результаті гідролізу нуклеїнових кислот утворюються переважно нуклеозид-5'-фосфати (НМФ). Крім різниці в пентозах, нуклеотиди молекул РНК та ДНК розрізняються також за складом піримідинових основ (табл. 3.1).

Таблиця 3.1. Номенклатура нуклеозидів і нуклеотидів РНК та ДНК

Назви азотистих основ

Нуклеозиди

Нуклеотиди

Скорочені позначення

нуклеотидів

повні

скорочені укр.; англ

РНК

Пуринові:

Аденін

(А; A)

Аденозин

Аденілова кислота (аденозин-5'-фосфат)

АМФ

Гуанін

(Г; G)

Гуанозин

Гуанілова кислота (гуанозин-5'-фосфат)

ГМФ

Піримідинові:

Цитозин

(Ц; C)

Цитидин

Цитидилова кислота (цитидин-5'-фосфат)

ЦМФ

Урацил

(У; U)

Уридин

Уридилова кислота (уридин-5'-фосфат)

УМФ

ДНК

Пуринові:

Аденін

(А; A)

Дезоксиаденозин

Дезоксиаденілова кислота (дезоксиаденозин-5'-фосфат)

дАМФ

Гуанін

(Г; G)

Дезоксигуанозин

Дезоксигуанілова кислота (дезоксигуанозин-5'-фосфат)

дГМФ

Піримідинові:

Цитозин

(Ц; C)

Дезоксицитидин

Дезоксицитидилова кислота (дезоксицитидин-5'-фосфат)

дЦМФ

Тимін

(Т; T)

Тимідин

Тимідилова кислота (тимідин-5'-фосфат)

ТМФ

Мінорні нуклеотиди

Крім зазначених вище основних п’яти азотистих основ (двох пуринових та трьох піримідинових), до складу деяких нуклеїнових кислот входять у відносно незначних кількостях додаткові (мінорні) азотисті основи та відповідні їм мінорні нуклеотиди. Найбільша кількість мінорних нуклеотидів зустрічається в молекулах транспортних РНК (тРНК) — до 5 % загального нуклеотидного складу. До мінорних нуклеотидів належать метильовані похідні звичайних азотистих основ, зокрема, 1-метиладенін, 2-метиладенін, 6-диметиладенін, 1-метилгуанін, 7-метилгуанін, 1-метилурацил, 5-оксиметилурацил, 3-метилцитозин тощо. ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину, інформаційні РНК — N-метильовані похідні аденіну та гуаніну.

Нуклеотидом незвичайної структури, що входить до складу тРНК, є псевдоуридин(Ψ) — нуклеотид, в якому рибоза приєднана до урацилу в 5-му положенні, тобто не азот-вуглецевим, а вуглець-вуглецевим зв’язком.

Біологічні функції мінорних нуклеотидів до кінця не з’ясовані.

Біохімічні функції вільних нуклеотидів:

1. Участь в енергетичному обміні (реакціях окисного фосфорилювання) — функцію виконують нуклеотиди аденілової системи (АТФ, АДФ). Ці ж нуклеотиди та АМФ можуть бути алостеричними модуляторами певних регуляторних ферментів, зокрема ферментів гліколізу, біосинтезу пуринових нуклеотидів.

2. Участь у метаболічних реакціях у ролі коферментів, зокрема:

- НАД, НАДФ, ФАД, ФМН — у реакціях біологічного окислення;

- УТФ, УДФ — у реакціях біосинтезу глікогену;

- ЦТФ, ЦДФ — у біосинтезі гліцерофосфоліпідів.