Тема XI. Нуклеиновые кислоты. Нуклеотиды

Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные полимеры. Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность сохранения, воспроизведения и передачи по наследству генетической информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Стабильность структуры нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. ДНК сохраняет наследственную информацию организма в виде последовательности дезоксирибонуклеотидов, различающихся азотистыми основаниями.

В ДНК в закодированном триплетным кодом виде записан состав всех возможных белков организма. Молекулы РНК переносят информацию от ДНК к местам клетки, где происходит синтез белка, а также выполняют ряд регуляторных функций.

Нуклеотиды разнообразны по составу, строению и функциям – входят в состав ДНК, РНК, ряда важных метаболитов, макроэргических соединений (АТФ), регулируют метаболические процессы.

Олигонуклеотиды применяются в научных исследованиях, перспективны в качестве лекарственных препаратов нового поколения (антисмысловые нуклеотиды), влияющих на экспрессию генов и биосинтез белков (генная терапия).

Целый ряд производных природных нуклеозидов и азотистых оснований нуклеиновых кислот применяется в качестве лекарств с противоопухолевым, противовирусным, противогрибковым и антибактериальным действием.

По теме занятия студент должен:

знать следующий материал:

• понятия «азотистые основания», их строение, свойства (ароматические свойства, лактим-лактамная таутомерия), биологическое значение, классификацию их на пиримидиновые и пуриновые;

• строение, состав, свойства, биологическое значение нуклеозидов и нуклеотидов;

• особенности строения двойной спирали ДНК;

• строение, биологическую роль, условия гидролиза макроэргического соединения АТФ;

• строение, свойства, путь образования in vivo, биологическое значение мочевой кислоты и ее солей – уратов;

• применение азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов, полинуклеотидов и их производных в медицине;

уметь составлять названия, узнавать и записывать структурные формулы азотистых оснований в лактамных и лактимных таутомерных формах, структурные формулы нуклеозидов и нуклеотидов (см. приложение к теме XIII); записать последовательность реакций превращения: аденин - гипоксантин, гуанин - ксантин, гипоксантин - ксантин - мочевая кислота; составлять структурные формулы таутомерных форм мочевой кислоты и ее солей;

владеть знаниями значения изучения строения и свойств нуклеиновых кислот и их молекулярных компонентов (азотистых оснований, нуклеозидов, нуклеотидов) в решении задач медицины.

Вопросы для подготовки

1. История открытия, этапы исследования строения нуклеиновых кислот.

2. Классификация нуклеиновых кислот, отличия в строении и составе как следствие различных биологических функций.

3. Влияние рН среды на процесс гидролиза нуклеопротеинов и нуклеиновых кислот in vivo и in vitro. Состав продуктов гидролиза при разных величинах рН среды.

4. Азотистые основания нуклеиновых кислот

4.1. Азотистые основания – производные пиримидина: тимин (Т), цитозин (Ц), урацил (У) – строение, физико-химические свойства, лактим-лактамная таутомерия.

4.2. Азотистые основания – производные пурина: аденин (А), гуанин (Г) – строение, физико-химические свойства, лактим-лактомная таутомерия гуанина. Производные пурина – гипоксантин, ксантин, мочевая кислота, соли ураты. Их биологическое значение.

4.3. Какие таутомерные формы Г, Ц, Т, У присутствуют в составе ДНК и РНК in vivo в процессе выполнения ими биологических функций? Почему?

4.4. Лекарственные препараты – антиметаболиты азотистых оснований (меркаптопурин, фторурацил).

5. Нуклеозиды (производные У, Т, Ц, А, Г, гипоксантина, ксантина) – состав, строение, номенклатура, свойства (гидролиз).

6. Нуклеотиды – классификации, состав, строение, номенклатура, биологическое значение.

6.1. Моно, -ди, -трифосфатнуклеозиды (АМФ, АДФ, АТФ и их аналоги, содержащие У, Т, Ц, Г). Биологическая роль нуклеотидов. Условия гидролиза химических связей в нуклеотиде.

6.2. Макроэргические связи в нуклеозидтрифосфатах. Строение, свойства, функции и особая биологическая роль АТФ.

6.3. Строение, функции и биологическое значение нуклеотидных коферментов НАД⁺/ НАДH и НАДФ⁺/ НАДФH.

7. Строение нуклеиновых кислот. Правило Чаргаффа. Первичная структура РНК и ДНК. Вторичная структура ДНК – двойная спираль, комплементарные пары. Высшие структуры ДНК – образование нуклеопротеинов.

Задачи и упражнения

1. Запишите структурные формулы соединений в лактимной и лактамной формах, укажите нумерацию атомов, названия обеих форм в соответствии с принятой номенклатурой: урацил, тимин, цитозин, аденин , гуанин, мочевая кислота.

2. Запишите структурные формулы нуклеозидов: тимидин, тимидинрибозид, дезоксицитидин, уридин, аденозин, дезоксиаденозин.

3. Запишите структурные формулы нуклеотидов: 3’- адениловая кислота, 5’-аденозинмонофосфат.

4. Составьте структурную формулу макроэргического соединения АТФ и укажите макроэргические связи.

5. Укажите все типы химических связей в соединениях ЦМФ, УДФ, ГТФ. Составьте их структурные формулы.

6. Объясните механизм образования комплементарных пар (А-Т, Г-Ц) с участием водородных связей. Какую биологическую роль играют водородные связи в комплементарных парах?

7. Составьте структурную формулу тринуклеотида d(A-T-G). Фрагментом какой нуклеиновой кислоты может являться этот нуклеотид?

8. При гидролизе какого соединения in vivo образуются уридин и фосфорная кислота? В какой среде проводят гидролиз in vitro? В какой среде следует провести дальнейший гидролиз уридина?

Тесты