Биологическая химия - часть 24

Т а б л и ц а 3.2. Состав рибосомных РНК эукариот

Размер субчастицы,

ед. Сведберга (S)

60 (более 50 белков)

40 (более 30 белков)

Молекулярная

масса субчастицы

2,7•10

6

1,3•10

6

Размер РНК,

ед. Сведберга (S)

5

5,8

28

18

Молекулярная

масса РНК

35000

45000

1,5•10

6

750000

СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Для понимания ряда особенностей структуры ДНК важное значение имели

закономерности состава и количественного содержания азотистых осно-

ваний, установленные впервые Э. Чаргаффом. Оказалось, что азотистые

основания ДНК обычно варьируют у разных видов организмов, однако

почти не претерпевают изменений у одного и того же вида в процессе

развития или в зависимости от изменений окружающей среды либо харак-

тера питания. Показано также, что ДНК, выделенная из разных тканей

одного и того же вида, имеет одинаковый состав азотистых оснований.

Полученные количественные соотношения были названы правилами Чар-

гаффа. При анализе состава очищенной ДНК, выделенной из разных

источников, были сделаны следующие выводы:

1) молярная доля пуринов * равна молярной доле пиримидинов:

2) количество аденина и цитозина равно количеству гуанина и тимина:

3) количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина

равно количеству цитозина: А = Т и Г = Ц; соответственно

4) существенным для характеристики вида (таксономическое значение)

оказался так называемый коэффициент специфичности, отражающий от-

ношение

* Здесь и далее пуриновые и пиримидиновые основания обозначены начальными буквами

соответствующего названия.

101

А + Г = Ц + Т или

А + Ц = Г + Т или

А + Г

Ц + Т

= 1;

А + Ц

Г + Т

= 1;

А

Т

= 1;

Г

= 1;

Г + Ц

А + Т

Ц

Это отношение часто выражают в молярных процентах (Г + Ц), или

процентах ГЦ-пар. Для животных и большинства растений этот коэф-

фициент ниже 1 (от 0,54 до 0,94), у микроорганизмов он колеблется

в значительных пределах (от 0,45 до 2,57).

Данные, полученные А. Н. Белозерским и его учениками, свидетельст-

вуют о существовании в природе АТ-типа ДНК (у хордовых и беспозво-

ночных животных, высших растений, ряда бактерий, дрожжевидных орга-

низмов) и ГЦ-типа ДНК (у недрожжевидных грибов, актиномицетов, ряда

бактерий и вирусов).

Известно, что структурными единицами нуклеиновых кислот являются

мономерные молекулы – мононуклеотиды. Следовательно, нуклеиновые

кислоты представляют собой полинуклеотиды. Это продукты полимериза-

ции мононуклеотидов, число и последовательность расположения которых

в цепях ДНК и РНК определяются в строгом соответствии с программой,

заложенной в молекуле матрицы (см. главу 14). Мононуклеотиды легко

образуются при гидролизе ДНК и РНК в присутствии нуклеаз, состоят из

трех специфических компонентов: азотистого основания, углевода и фос-

форной кислоты. В этой «триаде» мононуклеотида углевод занимает

среднее положение. Соединения азотистого (любого) основания и углевода

(рибозы или дезоксирибозы), получившие название нуклеозидов, легко

образуются из мононуклеотида при гидролитическом отщеплении фос-

форной кислоты в присутствии щелочи или при участии специфических

ферментов – нуклеотидаз.

Нуклеозиды содержат пуриновое или пиримидиновое основание,

соединенное с углеводом N-гликозидной связью. В составе нуклеиновых

кислот обнаруживаются только β-нуклеозиды. Примером могут служить

два мононуклеотида: аденозин-5'-монофосфорная кислота (АМФ) и ци-

тидин-5'-монофосфорная кислота (ЦМФ):

R у 2' углерода представлен Н- или ОН-группой в зависимости от типа

нуклеиновой кислоты – ДНК или РНК. В образовании N-гликозидной связи

в пуриновых нуклеотидах принимают участие N-9 пурина и С-1' пен-

тозы, а в пиримидиновых нуклеотидах – N-1 пиримидина и С-1' пентозы.

Чтобы отличить углеродные атомы рибозы или дезоксирибозы от уг-

леродных атомов, входящих в состав пуриновых и пиримидиновых

102

АМФ

ЦМФ

N-гликозидные

связи

оснований, первые принято обозначать символом «штрих»: например,

атомы у 3-го и 5-го углерода обозначают С-3' и С-5' или, чаще,
3'

 и

 5'.

Следует отметить, что среди продуктов ферментативного гидролиза

ДНК и РНК обнаруживаются, помимо нуклеозид-5'-монофосфатов, также

нуклеозид-3'-монофосфаты. Положение фосфата определяется местом раз-

рыва фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами, что ука-

зывает на характер связи нуклеотидов через остаток фосфорной кислоты,

соединяющий 3' и 5' углеродные атомы пентозы.

В табл. 3.3 приведены состав и названия (включая тривиальные), а также

сокращенные обозначения нуклеозидов и нуклеотидов (для РНК они назы-

ваются рибонуклеотидами, а для ДНК – дезоксирибонуклеотидами).

Т а б л и ц а 3.3. Состав нуклеозидов и мононуклеотидов

Азотистые основания

Пуриновые

Пиримиди-

новые

Аденин

Гуанин

Урацил

Цитозин

Тимин

Нуклеозиды

(основание

+ углевод)

Аденозин

Гуанозин

Уридин

Цитидин

Тимидин

Мононуклеотиды

(нуклеозиды + Н

3

РО

4

)

Аденозинмонофосфат

(адениловая кислота)

Гуанозинмонофосфат

(гуаниловая кислота)

Уридинмонофосфат

(уридиловая кислота)
Цитидинмонофосфат

(цитидиловая кислота)
Тимидинмонофосфат

(тимидиловая кислота)

Сокращенное

обозначение

АМФ

ГМФ

УМФ

ЦМФ

ТМФ

Мононуклеотиды и их производные, а также динуклеотиды присутст-

вуют в клетках в свободном виде и играют важную роль в обмене веществ.

В частности, нуклеотидную структуру имеют многие коферменты, включая

коферменты оксидоредуктаз. Мононуклеотиды, присоединяя еще один ос-

таток фосфата, образуют фосфоангидридную связь (наподобие связи,

имеющейся в пирофосфате) и превращаются в  н у к л е о з и д д и ф о с ф а т ы

(соответственно они обозначаются сокращенно АДФ, ГДФ, УДФ, ЦДФ

и ТДФ). Последние, присоединяя еще один остаток фосфата, образуют

н у к л е о з и д т р и ф о с ф а т ы (соответственно обозначаются АТФ, ГТФ,

УТФ, ЦТФ и ТТФ).

Следует особо указать, что только свободные нуклеозидтрифосфаты

в клетках являются предшественниками ферментативного синтеза ДНК

и РНК (см. главу 13). Однако в клетках имеются свободные, также

природные нуклеозидтрифосфаты, не принимающие участия в синтезе

белка, но выполняющие жизненно важные функции. В частности, одной из

важнейших функций нуклеозидтрифосфатов и особенно АТФ является их

участие в биоэнергетике всех живых организмов (см. главу 13). Приводим

схему образования молекул аденозинди- и аденозинтрифосфатов (неко-

торые атомы водорода, как и углерода, в пуриновом ядре и в кольце

рибозы опущены):

103

Необходимо указать на существование в организме еще двух типов

фосфорных эфиров нуклеотидов, когда фосфат связывает 2 атома кисло-

рода пентозного остатка в одном и том же нуклеотиде и когда фосфатный

мостик объединяет два разных мононуклеотида. Примером первого типа

являются циклические нуклеотиды 2',3'- и 3',5'-, т.е. два возможных класса

соединений, в которых кислородные атомы у С-2' и С-3' или у С-3' и С-5'

участвуют в образовании циклической структуры:

Первое из этих соединений, 2',3'-АМФ, образуется в качестве промежу-

точного продукта распада рибонуклеиновых кислот, в то время как цикли-

ческий 3',5'-АМФ (цАМФ) является естественно встречающимся рибо-

нуклеотидом (он образуется из АТФ в процессе реакции, катализируемой

ферментом аденилатциклазой). цАМФ наделен рядом уникальных функций

и высокой биологической активностью в регуляции процессов обмена,

выполняя роль медиатора внеклеточных сигналов в клетках животных.

Аналогичной функцией наделены цГМФ, производные УДФ, ЦТФ и

нуклеотиды в составе кофакторов и коферментов (см. главу 4).

Примером, когда одна фосфатная группа связывает два разных рибо-

нуклеотида, является структура гуанозилтимидинфосфата:

104

Аденозин-5'-монофосфат (АМФ)

Аденозин-5'-дифосфат (АДФ)

Аденозин-5'-трифосфат (АТФ)

Циклический 2',3'-АМФ

Циклический 3',5'-АМФ