Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия нуклеиновых кислот
Химическое строение нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого количества связанных между собой нуклеотидов. Их можно рассматривать как полимеры нуклеотидов подобно полисахариду гликоге­ну — полимеру глюкозы.

Химический состав нуклеиновых кислот. При полном гидролизе нуклеиновых кислот образуется несколько простых низкомолекулярных ор­ганических веществ, таких как азотистые основания и углеводы, а также молекулы фосфорной кислоты.

Азотистые основания нуклеиновых кислот являются производными ге­тероциклического азотсодержащего соединения пурина (пуриновые осно­вания) и пиримидина (пиримидиновые основания). К пуриновым основани­ям относятся аденин (А) и гуанин (Г), а к пиримидиновым — цитозин (Ц), тимин (Т) и урацил (У). Их молекулы различаются наличием определенных функциональных групп: -NH₂, -ОН, -СН₃ (рис. 79).

Из пяти азотистых оснований каждая нуклеиновая кислота включает только четыре — два пуриновых и два пиримидиновых.

Рис. 79 Основные составляющие нуклеиновых кислот: азотистые основания и углеводы из класса пентоз

Углеводный компонент нуклеиновых кислот представлен моносахари­дами пентозами — рибозой и дезоксирибозой.

Фосфорная кислота входит в состав всех нуклеиновых кислот в боль­шом количестве. Чаще всего она соединена с углеводным компонентом по месту гидроксильной группы в пятом положении углеродного атома рибозы или дезоксирибозы.

Нуклеозиды и нуклеотиды. При неполном гидролизе нуклеиновых кислот образуются нуклеозиды и молекулы фосфорной кислоты, а также нуклеотиды.

Нуклеозид — это соединение, в котором азотистое основание связано с углеводом — рибозой или дезоксирибозой. Их название образуется от названия азотистого основания (например, соединение аденина с рибозой — аденозин).

Структурной единицей нуклеиновых кислот является нуклеотид. Нук­леотиды состоят из трех компонентов: пуринового или пиримидинового основания, углевода рибозы или дезоксирибозы, которые соединены между собой и составляют нуклеозид, и остатка фосфорной кислоты, присоединенной к гидроксилу пятого атома углерода в молекуле углево­да. Примером нуклеотида может служить аденозинмонофосфат, или адениловая кислота:

Нуклеотиды, содержащие углевод рибозу, называются рибонуклеотидами, а дезоксирибозу — дезоксирибонуклеотидами. Молекулы от­дельных нуклеиновых кислот могут включать от 70 до 5—50 тыс. нуклео­тидов.

В зависимости от количества остатков фосфорной кислоты в нуклео­тиде выделяют нуклеотидмонофосфаты, нуклеотиддифосфаты, нуклеотидтрифосфаты. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидмонофосфатов, но при их синтезе используются нуклеотидтрифосфаты.

Название нуклеотидов происходит от названия азотистого основания, которое входит в его состав. Основными нуклеотидмонофосфатами — про­изводными пуриновых оснований являются аденозин-5-монофосфат (АМФ), который еще называется аденилат, и гуанозин-5-монофосфат (ГМФ), или гуанилат. Из них образуются нуклеотиддифосфаты и нуклео­тидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, АДФ, ГДФ).

Основными нуклеотидмонофосфатами — производными пиримидино­вых оснований являются цитидин-5-монофосфат (ЦМФ), или цитидилат: уридин-5-монофосфат (УМФ), или уридилат; тимидин-5-монофосфат (ТМФ), или тимидилат. Из них также образуются нуклеотиддифосфаты и нуклеотидтрифосфаты (ЦТФ, УТФ, ТТФ). Поскольку в состав нуклеотидов входят остатки фосфорной кислоты, они обладают кислотными свойства­ми и называются кислотами. Так, например, аденозин-5-монофосфат имеет название адениловая кислота и т. п.

В химических связях молекул нуклеотидтрифосфатов между послед­ним и предпоследним остатками фосфорной кислоты заключено много энергии. Такие связи называются макроэргическими, а нуклеозидтрифосфаты — макроэргами. Так, АТФ, ГТф и другие нуклеотидтрифосфаты явля­ются источниками энергии, в связях которых аккумулируется химическая энергия, используемая в организме в различных процессах жизнедеятель­ности. В клетках организма под действием высокоспецифических фермен­тов из АТФ и других нуклеотидов могут образовываться циклические фор­мы нуклеотидов.

Циклические нуклеотиды. Эти вещестав впервые были открыты американским ученым Е. Сазерлендом в 1957 г. как "вторичные" передат­чики действия гормонов на различные внутриклеточные обменные про­цессы. Образуются они из АТФ или других нуклеотидов под действием специфических ферментов — циклаз. Так, например, биосинтез цикли­ческого аденозинмонофосфата (цАМФ) протекает в клетках при участии фермента аденилатциклазы:

Для цАМФ характерна значительная энергия связи между 3- и 5- углеродными атомами в рибозе. При ее гидролизе выделяется около 59 кДж ⋅ моль^-1 энергии. Такая энергия гидролиза обеспечивает необра­тимость превращений цАМФ. В результате создается однонаправленность хода информации в клетке, а накопленная в ней энергия используется в регулируемых биохимических процессах.

Особенности структуры цАМФ придают ему специфические свойства и определяют уникальную биологическую роль универсального внутрикле­точного передатчика действия гормонов.

Циклические нуклеотиды участвуют в регуляции процессов транспор­та ионов через клеточные мембраны, распада углеводов и жиров, моди­фикации сократительных белков мышц, что влияет на функцию скелетных мышц и других органов. Доказана регуляторная роль циклических нук­леотидов в процессах клеточной дифференцировки, секреции гормонов. Циклическим нуклеотидам принадлежит главная роль в гормональной регуляции внутриклеточных процессов в различных тканях как вторичных передатчиков.

Роль нуклеотидов в обмене веществ. Нуклеотиды используются не только для построения нуклеиновых кислот. Они выполняют также важную роль в регуляции обмена веществ и энергии в различных органах и тканях. Отдельные нуклеотиды входят в состав трех основных коферментов — НАД, ФАД и KoA-SH. Эти коферменты участвуют в превращениях углево­дов, жиров, аминокислот и других веществ, а также в окислительно-вос­становительных реакциях, связанных с энергообразованием. Такие нукле­отиды, как АТФ, АДФ и др., являются универсальным источником энергии в организме. Молекулы циклических нуклеотидов являются универсаль­ными внутриклеточными регуляторами обмена веществ. Свободные нукле­отиды в клетках образуются в результате их синтеза или при частичном гидролизе нуклеиновых кислот.

Типы нуклеиновых кислот. В 1930 г. были определены два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, различающиеся химическим составом, молекулярной массой, сложностью структуры молекул, а также выполняе­мыми функциями в организме. Название нуклеиновых кислот обусловлено присутствием в кислоте углевода: если в состав нуклеиновой кислоты вхо­дит рибоза, то она называется рибонуклеиновая кислота (РНК), а если входит дезоксирибоза, то нуклеиновая кислота называется дезокси­рибонуклеиновая (ДНК). Кроме углеводного компонента, отдельные типы нуклеиновых кислот различаются составом азотистых оснований и структу­рой молекулы.