Нуклеотиды. 
Химия

Важнейшим научным достижением XX в. явилось установление структуры дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК), а также их биологической роли — хранение и передача наследственной информации и синтез молекул белков.

Усложнение молекул, ведущее к образованию ДНК и РНК, можно представить в виде следующей цепочки реакций:

В параграфе 10.3 были рассмотрены гетероциклические азотсодержащие вещества, среди которых пиримидин и пурин, имеющие непосредственное отношение к нуклеиновым кислотам. Так называемые азотистые основания нуклеиновых кислот представляют собой замещенные производные этих гетероциклических соединений. Производными пиримидина (пиримидиновыми основаниями) являются урацил (2,4-дигидроксипиримидин), тимин (2,4-дигидрокси-5- метилпиримидин) и цитозин (2-гидрокси-4-аминопиримидин). Это белые кристаллические вещества, умеренно растворимые в воде. В составе нуклеотидов в их молекулах происходит изменение структуры, которое можно описать следующим образом:

Еще два азотистых основания нуклеиновых кислот производятся от пурина и называются пуриновыми основаниями. Это аденин (6-аминопурин) и гуанин (2-амино-6-гидроксипурин):

Цитозин, аденин и гуанин входят в состав как РНК, так и ДНК; урацил находится только в составе РНК, а тимин — только в составе ДНК.

Азотистые основания являются ароматическими соединениями, способными к реакциям замещения. Среди их химических свойств наиболее интересны реакции с рибозой и дезоксирибозой. В данных пентозах, находящихся в циклической (3-форме, замещается гидроксогруппа при атоме углерода С (1). При этом в пиримидиновых основаниях замещается водород при атоме азота N (1), а в пуриновых основаниях — атом водорода при азоте N (9). Получающиеся вещества называются нуклеозидами. Для примера рассмотрим реакцию аденина с (3-дезоксирибозой:

Названия нуклеозидов производят от названий азотистых оснований с учетом того, какая пентоза вошла в их состав (табл. 11.3).

Нуклеозиды медленно гидролизуются в кислой среде. С ионами фосфорной кислоты они образуют фосфаты (эфиры фосфорной кислоты), называемые нуклеотидами. Этерифицируется обычно гидроксогруппа при атоме С (3) или С (5) рибозы (дезоксирибозы). Эфир трехосновной фосфорной кислоты является двухосновной кислотой, так как в остатке фосфорной кислоты еще остаются две группы —ОН. Поэтому в слабощелочной среде клеток нуклеотиды находятся в виде солей с ионами калия и магния.

Таблица 11.3

Некоторые нуклеозиды

Примечание. В скобках дано обозначение нуклеозида.

Напишите структурную формулу дезоксигуанозин-5'-фосфата магния (штрих при цифре в названии вещества указывает, что атом углерода входит в состав дезоксирибозы).

Структурная формула будет иметь вид.

Нуклеотиды наиболее важны в качестве структурных звеньев ДНК и РНК. Некоторые из них играют самостоятельную роль в биохимических реакциях. Наиболее широко известны АТФ и АДФ, т. е. аденозин-5'-трифосфат и аденозин-5'-дифосфат. Это эфиры трифосфорной и дифосфорной кислот. В молекулах (ионах) АТФ аккумулируется энергия, отдаваемая органическими молекулами при окислении. Далее АТФ фосфорилирует органические молекулы и таким образом передает им необходимую энергию. При участии АТФ образуются пептидные связи в процессе синтеза белка, осуществляются образование крахмала из глюкозы, синтез карбоновых кислот для жиров и многие другие биохимические процессы.

Дезоксинуклеотиды в результате реакции конденсации образуют цепочки дезоксирибонуклеиновых кислот, из которых состоят хромосомы в клеточных ядрах. Нуклеиновая кислота представляет собой полиэфир фосфорной кислоты с дезоксинуклеозидами (рис. 11.3). В структуре ДНК нет разнообразия и причудливости форм, характерных для молекул белков. Это двойная спираль, состоящая из четырех видов нуклеотидов, число которых в сумме определяется сложностью организма. В ДНК бактерии кишечной палочки 4−10⁶ пар нуклеотидов, а в ДНК человека 2,9* 10⁹ пар. При этом длина спирали достигает 1 м, а диаметр ее остается постоянным — около 2 нм. Чередованием нуклеотидов непосредственно кодируется первичная структура всех белков данного организма, а в конечном счете — все его наследственные признаки.

Цепочки двойной спирали комплементарны. Каждому нуклеотиду dA, dG, dT и dC одной цепи противопоставлен соответствующий ему нуклеотид dT, dC, dA и dG другой цепи. Узнавание нуклеотидов реализуется через образование специфических водородных связей между парами аденин — тимин и гуанин — цитозин (рис. 11.4). Между тимином и аденином образуются две водородные связи, а между цитозином и гуанином — три.

Рис. 11.3. Схема цепочки ДНК (N — азотистое основание)

Из рис. 11.4 понятно назначение заместителей в пуриновом и пиримидиновом циклах. Без этих заместителей могла бы образоваться всего одна водородная связь; этого было бы недостаточно для узнавания нуклеотидов и обеспечения устойчивости двойной спирали.

Рис. 11.4. Водородные связи в двойной спирали ДНК

При делении клетки двойная спираль расходится, и на каждой полинуклеотидной цепочке синтезируется новая комплементарная цепь. Очередной нуклеотид определяет свое место по способности образовать водородные связи с нуклеотидом имеющейся цепи. Возникают две двойные спирали, и клетка может разделиться на две части. Кроме новых молекул ДНК на одной из цепей ДНК синтезируются молекулы матричной РНК, которые переходят в рибосомы клетки для синтеза белков. В матричной РНК последовательность аминокислот белка закодирована триплетами нуклеотидов. Для реализации кода в синтезируемой молекуле белка каждой аминокислоте служит своя транспортная РНК (т-РНК) и свой фермент, обеспечивающий присоединение аминокислоты к т-РНК эфирной связью. Эти процессы рассматриваются в молекулярной биологии — науке, возникшей в середине XX в. после расшифровки структуры ДНК (Дж. Уотсон и Ф. Крик, 1953 г.).

Вопросы и задания

• 1. Какие пиримидиновые и пуриновые основания входят в состав ДНК и РНК?
• 2. Напишите структурные формулы азотистых оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот.
• 3. Какие вещества называют нуклеозидами и нуклеотидами?
• 4. Каким образом возникает химическая связь между азотистым основанием и рибозой (дезоксирибозой)?
• 5. Какую роль играют водородные связи в структуре ДНК?
• 6. Остатки каких молекул играют роль звеньев в полимерных цепях ДНК и РНК?