Структура и физико-химические свойства нуклеиновых кислот

Молекулярная масса нуклеиновых кислот может достигать более миллиона атомных единиц. Состав нуклеиновых кислот относительно сложен. Структурной единицей нуклеиновых кислот является мононуклеотид. Из всех функций выполняемых мононуклеотидами в клетке наиболее важная заключается в том, что они служат строительными блоками, то есть предшествуют синтезу нуклеиновых кислот. Тем самым они участвует в молекулярных механизмах, с помощью которых генетическая информация хранится, реплицируется (распознавание) и транскрибируется (переписывается). Мононуклеотид представляет собой сложное соединение, состоящее из азотного основания, углевода (рибоза, дезоксирибоза) и остатка фосфорной кислоты. Нуклеотид без остатка фосфорной кислоты носит название нуклеозид. Азотные основания представляют собой соединения производных пурина и пиримидина. К пуриновым основаниям относятся аденин, гуанин. К пиримидиновым основаниям относятся цитозин, урацил, тимин.

Биохимическими доказательствами генетической функции ДНК является то, что:

1) Содержание ДНК в клетке организма строго постоянно и не зависит от условий внеклеточной среды.

2) Содержание ДНК в клетке повышается с возрастаем сложности клетки, и, следовательно, с возрастанием генетической информации в клетке.

3) ДНК, содержащаяся в вирусах бактерий (бактериофаги) и вирусах животных, имеющие лишь несколько генов, содержат очень мало ДНК.

Последовательность расположения нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК определяет первичную структуру нуклеиновой кислоты. ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух антипараллельных полинуклеотидных цепей. Спирали правозакрученные, имеют общую ось и ориентированы в противоположных направлениях. Вторичная структура спирали возникает за счёт того, что вокруг одной нити нуклеиновой кислоты обвивается другая нить нуклеиновой кислоты, таким образом, что две нуклеотидные цепи могут быть разделены только в результате раскручивания. Пуриновые и пиримидиновые основания обращены внутрь двойной спирали и расположены стопками, причем плоскости оснований параллельны друг другу и перпендикулярны длиной оси спирали. Каждое основание первой цепи спарено с лежащим в той же плоскости основанием другой цепи. На каждый полный виток двойной спирали приходится 10 нуклеотидных пар. Одна нить ДНК по расположению азотистых оснований всегда комплементарна (дополнительна) другой. Впервые такое строение ДНК доказали два американских ученых Уотсон и Крик. За это открытие они получили нобелевскую премию. ДНК, имея двух цепочечную спиралевидную структуру, обладает большой молекулярной массой. В состав нуклеотида ДНК входит углевод – дезоксирибоза. Способность ДНК к авторепродукции и способность быть носителем наследственной информации, связана с особенностью ее строения. Порядок расположения азотистых оснований в первой цепи ДНК определят порядок в другой цепи. Именно на этом основано свойство ДНК, объясняющее ее способность к самовоспроизведению (авторепродукция). Авторепродукция молекулы ДНК происходит под действием фермента – полимеразы. При этом комплементирующие цепи молекулы ДНК раскручиваются и расходятся. Затем каждая из них начинает синтезировать новую цепь. Происходит точное воспроизведение материнской молекулы. При делении клетки удвоение молекулы ДНК происходит таким образом, что новая молекула имеет ту же структуру, что и материнская. Этим объясняется передача наследственной информации из поколения в поколение. Рибонуклеиновые кислоты имеют обычно одну нить и относительно не высокую молекулярную массу. РНК выполняет различные функции. Основная биологическая функция РНК связана преимущественно с синтезом белка, то есть с реализацией наследственной информации. Именно РНК является посредником между ДНК и строящейся клеткой белковой молекулы. Существует разновидность РНК – это тРНК (транспортная). Она содержит в цитоплазме клетки аминокислоты и переносит их к месту синтеза белка на рибосомы. Каждой аминокислоте соответствует своя транспортная РНК. Аминокислота переносится к месту синтеза белка в виде аминоациладенитатов. Существует иРНК (информационная), которая переносит информацию с ДНК к месту синтеза белка, то есть на рибосомы клетки. Существует рРНК (рибосомальная), которая непосредственно участвует в синтезе белка. Нуклеиновые кислоты часто встречаются в виде комплексов с белком. Эти комплексы могут называться нуклеопротеиды.

Лекция 5. Биохимия углеводов.

Углеводы – это органические соединения, которые содержат в своем составе углерод, водород и кислород. Многие из углеводов содержат фосфор, серу и азот. Название углеводы было дано в 1840 году Шмидтом. Именно он представил формулу углевода в виде С_n Н_2nО_n.

Основные функции углеводов в организме.

1. Энергетическая функция (глюкоза, гликоген).

2. Структурная функция (хондроитинсерная, гиалуроновая кислоты и др. гетерогенсахариды).

3. Защитная функция. Проявляется в синтезе иммунных тел в ответ на антигены, которые поступают в организм, а также в выработке мукополисахаридов (слизь из носа). К защитной функции относится антисвертывающая функция крови, выполняет её гепарин (используется при инфарктах и инсультах для разжижения крови)

4. Осморегуляторная функция выполняется за счёт стабильной концентрации глюкозы в организме.

Классификация углеводов.

I группа

Моносахариды и их производные

Собственно моносахариды: триозы (диоксиглицерин), тетрозы (эритроза), пентозы (рибоза, дезоксирибоза, ксилоза (сахар для диабетиков)).

Производные моносахаридов: ароновые, урановые кислоты, аминосахара, гликозиды, фосфосахара. Представителями производных моносахаридов являются: гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза). Кроме того, к простым сахарам относятся гептозы (сетогептулоза – пептозофосфат – путь окисления углеводов), октозы, нанозы, декозы.

Глюкозе и ее изомеру фруктозе принадлежит ведущая роль в обмене веществ. В водных растворах они присутствуют в циклической и ациклической форме. Все простые сахара оптически активные соединения, то есть вследствие наличия в их структуре асимметрических атомов углерода, обладают способностью вращать плоскость поляризационного света. d-глюкоза существует в виде двух стерео изомерных форм: a- d-глюкоза, с удельным вращением в водной среде +111⁰ и ß-d-глюкоза, с удельным вращением +19⁰. При стоянии растворов глюкозы устанавливается равновесие между двумя формами, благодаря чему вращение раствора меняется до равновесного состояния с удельным вращением +52⁰ (явление мутаротации).

Все простые углеводы легко растворяются в воде, обладают сладким вкусом и могут быть обнаружены по их восстановительным свойствам.

Наряду со свободными сахарами в организмах весьма распространены фосфорнокислые эфиры простых сахаров. Среди производных простых сахаров определенное место принадлежит продуктам их окисления – глюкуроновой и галактуроновой кислотам. Продуктами восстановления простых сахаров являются шестиатомные спирты: d-сорбит и d-маннит.

II группа

Олигосахариды

В состав олигосахаридов входят соединения содержащие число моносахаридов от 2 до 10. Большое значение в обмене растительных организмов и как пищевые вещества для животных имеют дисахариды. Наиболее распространенный дисахарид в растениях – сахароза (свекловичный сахар, тростниковый сахар). Сахароза построена из глюкозы и фруктозы, соединенных между собой глюкозидной связью. Дисахарид лактоза или молочный сахар – основной углевод молока – синтезируется в молочных железах животных. Лактоза в своем составе содержит глюкозу и галактозу. Некоторое значение как продукт питания и промежуточный продукт распада крахмала имеет дисахарид мальтоза (виноградный сахар) построенный из двух молекул глюкозы. Все дисахариды легко растворимы в воде (несколько хуже растворим молочный сахар), хорошо кристаллизуются, имеют сладкий вкус (особенно сахароза, менее – лактоза), хорошо усваиваются организмами.

III группа

Полисахариды

Гомополисахариды: крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка), инсулин (сахарид земельной группы). В растениях, в результате фотосинтеза, образуются два наиболее распространенных полисахарида: крахмал и клетчатка.

Крахмал накапливается в качестве запасного питательного вещества в виде аморфных глыбок, различных по форме, у разных растений в зеленых листьях, в зерне, картофеле, плодах и овощах. Содержание крахмала в зернах пшеницы, кукурузы, риса достигает 70-80%. В клубнях картофеля 12-14%. Природный крахмал представляет собой систему из двух полимеров глюкозы – амилоза и амилопектин. Амилоза растворяется в воде с йодом и дает синее окрашивание. Реакция с йодом часто используется для открытия крахмала. Эта реакция очень чувствительна и позволяет обнаружить частичные следы крахмала. Амилопектин – полимер глюкозы, плохо растворим в воде, и придает полученным при нагревании коллоидным растворам крахмала способность застывать при охлаждении в студень или гель.

Клетчатка или целлюлоза – распространенный полисахарид стенок растительных клеток. Это линейный полимер глюкозы, с высокой степенью полимеризации. Нитевидные молекулы клетчатки соединены в прочные устойчивые волокна. В состав клетчатки входит a и ß-глюкоза. Ассоциация нитевидных молекул клетчатки обуславливает большую прочность ее волокон. Они не растворимы в воде, кислотах и слабых щелочах. В качестве запасного питательного вещества гликоген в значительных количествах откладывается в печени и мышечной ткани. Он имеет компактное строение, образует сферические глобулы, которые обуславливают его хорошую растворимость в воде с образованием маловязких коллоидных растворов. Молекулярный вес гликогена может варьировать в широких пределах от 400 тысяч до 4 миллионов. С йодом гликоген дает красно-фиолетовое окрашивание.

Гетерополисахариды: гепарин, гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат.

Гепарин – низкомолекулярный смешанный полимер глюкозамина и глюкуроновой кислоты. Для него характерно наличие эфирно-связанной серной кислоты. Гепарин, присутствуя почти во всех тканях животного организма в небольших количествах, выполняет ответственные функции регулятора вязкости живой плазмы. В организме он образуется в базофилах, в тучных клетках соединительной ткани, в легких, в печени и мышцах. Он является одной из противосвертывающих систем крови, предотвращает образование тромбопластина, тромбина и фибрина. Поэтому применяется как стабилизатор при хранении крови и как лечебное средство в борьбе с тромбозами.

Гиалуроновая кислота – смешанный полимер, построенный из ацетилированного глюкозамина и глюкуроновой кислоты. Эта кислота дает очень вязкие растворы, имеет большой молекулярный вес. Она входит в состав соединительной ткани кожи, стенок капилляров, стекловидного тела и роговицы глаза. Богаты ею пупочные канатики, из которых ее легче, чем из других тканей получить в изолированном виде. Проницаемость тканей в значительной мере зависит от степени полимерности присутствующей в них гиалуроновой кислоты.

Хондроитинсульфат – смешанный полимер, построенный из аминосахаров и глюкуроновой кислоты. Он участвует в построение соединительной и хрящевой тканях животных. Близкие к ним по строению вещества присутствуют в слизях животного и растительного происхождения.

Пектиновые вещества – комплексные полисахариды, весьма распространенные в растительном мире, входят в состав многих фруктов. Состоят из галактозы, арабинозы, метилированной галактуроновой кислоты. В присутствии сахара и кислоты пектины образуют желеобразные студни, что позволяет их широко использовать в кондитерской промышленности для приготовления желе, джема, пастилы, мармелада и т.д.