senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

Такие активированные производные аминокислот (аминоцилтРНК) принимают непосредственное участие в реакциях биосинтеза белков на рибосомах.

Структура и свойства рРНК. Рибосомальные РНК составляют около половины общего состава рибосом. Рибосомальные РНК не обладают какой-либо характерной конформацией, как это имеет место в случае тРНК. Известно, что существенная часть структуры рРНК представлена биспиральными участками. У эукариотов синтезируются кодируемые 5S рРНК и 45S рРНК. Последняя затем гидролизуется с образованием трех фрагментов — 28S рРНК (около 5000 оснований), 18S рРНК (около 2000 оснований) и 5,8S рРНК (160 оснований). Удивительно, но реакцию гидролиза катализирует сама молекула рРНК! Этот факт послужил основой для выделения рибозимов — уникальных биокатализаторов полинуклеотидной природы. За это открытие в 1989 г. С. Олтмен и Т. Чек (США) были удостоены Нобелевской премии по химии. Таким образом, функции рРНК заключаются в аутокаталитическом созревании рРНК и в струк- турно-функциональном обеспечении рибосомального биосинтеза

белков.

антикодон

Ó

ÀÀ

антикодоновая петля дополнительная

петля

дигидроуридиновая

Ðèñ. 20. Схема структурной организации тРНК

92

Структура и свойства мРНК. Строение мРНК, как и соответствующих кодируемых ими белков, обладает высокой специфич- ностью. Молекулярные размеры мРНК сильно варьируют — от сотен оснований до нескольких сотен тысяч. Третичные структуры мРНК, по-видимому, индивидуальны, характеризуются разнообразием и высоким содержанием биспиральных шпилек и петель. Основное назначение мРНК — переписывание генетической информации о первичной структуре кодируемых белков с ДНК и участие в качестве матрицы в рибосомальном биосинтезе белков и пептидов. Время жизни мРНК в клетках эукариотов может достигать нескольких дней и даже недель. Таким образом, такие долгоживущие мРНК используются многократно для синтеза белков. Есть принципиальные отличия в строении мРНК прокариотов и эукариотов (рис. 21). Главным образом они заключаются в том, что эукариотическая мРНК моноцистронная, а прокариотическая мРНК полицистронная. Кроме этого, в эукариотических мРНК велика доля некодирующих участков, которые выполняют вспомогательные функции в реакциях созревания и деградации мРНК, взаимодействия с рибосомой, в процессе биосинтеза белка — 7-ме- тилгуанозиновый «кэп» на 5’-конце мРНК, своеобразный хвост поли-(А) размером 50—400 оснований на 3’-конце мРНК. В структуру всех мРНК входит инициирующий кодон АУГ и терминирующие кодоны УГА или УАА. Принципиально отличаются и молекулярные механизмы формирования зрелых молекул мРНК. Дело в том, что в отличие от прокариотов гены эукариотов мозаич- ны, т. е. содержат кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) участки. В связи с этим в эукариотических клетках функционирует специальный биохимический механизм, который распознает некодирующие участки в первичном продукте транскрипции гена, чрезвычайно точно вырезает такие некодирующие участки, а кодирующие последовательности сшивает в единый линейный полинуклеотид — зрелую мРНК.

В исключительных случаях РНК может использоваться как форма хранения генетического материала. Это явление характерно для РНК-содержащих вирусов. План и программа развития таких вирусов включают функционирование специального фермента — обратной транскриптазы, которая синтезирует ДНК на матрице РНК. Обратная транскриптаза используется для синтеза кодирующей ДНК (кДНК) на основе мРНК, т. е., по существу, позволяет синтезировать гены, фрагменты генов для последующего конструирования рекомбинантных ДНК или секвенирования.

93

УГЛЕВОДЫ

Углеводы (сахара) — обширная группа полигидроксикарбонильных природных соединений. Термин «углевод» предложен Г. К. Шмидтом еще в XIX в. для соединений с общей химиче- ской формулой СnH2nOn, èëè Ñn(Í2O)n, т. е. углерод + вода = углевод. Термин используется до сих пор, несмотря на существование природных углеводов с иным элементным составом. Важнейшие открытия в биохимии углеводов связаны с именем немецкого ученого Эмиля Фишера, который еще в 1902 г. стал лауреатом Нобелевской премии за работы по химии сахаров и пуринов.

Углеводы принято классифицировать на моносахариды, олигосахариды è полисахариды.

Углеводы присутствуют во всех биологических объектах. В животных клетках углеводы обычно составляют всего лишь около 2 % сухого остатка, тогда как в клетках растений — порой до 80—90 %. Полисахариды представляют собой один из видов биополимеров, которые не кодируются генетически и синтезируются нематричным способом. Углеводы — это наиболее распространенные в биосфере органические соединения, они составляют больше половины всех органических веществ. Безусловным лидером среди углеводов является целлюлоза.

95

МОНОСАХАРИДЫ (МОНОЗЫ)

Строение, классификация и номенклатура моносахаридов

Моносахариды — производные многоатомных спиртов с карбонильной (альдегидной или кетонной) группой, соединения с общей брутто-формулой Сn(Í2O)n, ãäå n = 3—9. К моносахаридам также относят ряд производных, которые содержат другие функциональные группы (СООН, NH2 и др.) или атом Н вместо одной или нескольких ОН-групп. Линейная цепь моносахаридов обычно состоит из 3—9 С-атомов, каждый из которых (кроме карбонильного) связан с ОН-группой. Углеродные атомы нумеруют таким образом, чтобы номер С-атома карбонильной группы имел наименьшее значение. Альдозы — моносахариды с карбонильной (альдегидной) группой в конце углеродной цепи (рис. 22), а кетозы — моносахариды с карбонильной (кетонной) группой в углеродной цепи (рис. 23). По числу С-атомов выделяют триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и др. Простейшим моносахаридом является глицериновый альдегид, который является родоначальником ряда альдоз, а диоксиацетон — родоначальник кетоз. Большинство природных моносахаридов имеют общепринятые тривиальные названия, складывающиеся из двух частей: корень в тривиальном названии указывает на происхождение или какое-либо особенное свойство моносахарида, окончание -оза обычно показывает принадлежность моносахарида к альдозам (например, рибоза), а окончание -улоза — к кетозам (например, рибулоза).

Стереоизомерия моносахаридов. Все природные моносахариды обладают оптической активностью, как следствие наличия асимметрического С-атома. У альдоз число таких атомов на 1 больше, чем у соответствующих кетоз (табл. 4).

96

В результате у моносахаридов существуют стереоизомеры (пространственные изомеры), общее число которых (N) определяется формулой: N = 2n, ãäå n — число асимметрических С-атомов. Энантиомеры (оптические изомеры, зеркальные изомеры) — это стереоизомеры по одному хиральному центру, т. е. это несовместимые в пространстве предмет и его зеркальное изображение. Энантиомеры образуют пары оптических антиподов, т. е. соединений, характеризующихся противоположными по знаку и одинаковыми по величине характеристиками оптического вращения при сходстве или полной идентичности других физико-химических свойств. Однако энантиомеры радикально отличаются по биохимическим свойствам и биологической активности.

Среди стереоизомеров моносахаридов выделяют два ряда энантиомеров: D- и L-стереоизомеры (или R- и S-стереоизомеры соответственно по универсальной стереохимической номенклатуре). Например, у альдогексоз с 4 хиральными центрами существует 16 стереоизомеров, т. е. 8 пар энантиомеров (например, L-глюкоза и D-глюкоза — энантиомеры). Диастереомеры — это любые комбинации стереоизомеров, не составляющих пару оптических антиподов. Например, диастереомерами являются D-глюкоза и все остальные 14 стереоизомерных D- и L-гексоз, кроме L-глюкозы. Диастереомеры могут весьма существенно отличаться друг от друга как по физико-химическим свойствам, так и по физиологической активности.

Принадлежность конкретного соединения к D- или к L-ряду определяют по конфигурации заместителей у асимметрического С-атома с наибольшим номером в сравнении с D-глицериновым и L-глицериновым альдегидом:

Ациклические формулы моносахаридов принято изображать в виде проекционных формул Фишера, в которых расположение ОН-группы относительного индикаторного асимметрич- ного атома С показывает тот или иной стереоизомер (рис. 22 и рис. 23). В таких формулах у D-изомеров гидроксил расположен

97

D-глицериновый альдегид

O

1H

H2 OH

3 OH

справа, а у L-изомеров — слева. Диастереомеры каждого моносахарида (как и для других соединений) — это вещества разного строения, физико-химических и биологических свойств. D- и L-изомеры каждой пары энантиомеров (например, L-глюкоза и D-глюкоза) весьма незначительно различаются по физико-хими- ческим свойствам. Но стереоизомерия моносахаридов имеет чрезвычайно важное значение, поскольку в природе доминируют D-стереоизомеры моносахаридов, а L-стереоизомеры биологи- чески неактивны или вовсе токсичны. Исключение составляет

98

Ðèñ. 23. Ряд важнейших природных кетоз (знаком (*) обозначены хиральные С-атомы, конфигурация которых применяется для выделения D- и L-энантиомеров)

99

ряд природных L-стереоизомеров: L-фукоза в гликопротеинах, L-идуроновая кислота в некоторых полисахаридах, L-рамноза и L-сорбоза растительных гликозидов, L-аскорбиновая кислота.

Особый тип стереоизомерии возникает в результате циклизации моносахаридов (рис. 23, 24). Это внутримолекулярная неферментативная реакция между карбонильной группой и вторичной спиртовой группой моносахарида с образованием цикли- ческого полуацеталя или полукеталя. Наиболее устойчивы 5-членные (фуранозные) и 6-членные (пиранозные) гетероцикли- ческие формы. В растворах моносахариды существуют в основном в циклических формах, а ациклическая форма составляет доли процента. Таким образом, структуру моносахаридов с 20-х гг. ХХ в. принято изображать в виде циклических формул У. Хеуорса (лауреат Нобелевской премии 1937 г. за изучение углево-

дов и витамина С). Конформация

В результате циклизации при бывшем карбонильном С-ато- ме появляется гидроксил (выделен жирным шрифтом на рис. 23 и рис. 24). Такой гидроксил у аномерного С-атома называют полуацетальным (полукетальным), аномерным или гликозидным. Полуацетальный (полукетальный) гидроксил может быть повернут вверх или вниз по отношению к плоскости гетероцикла. В результате появляется новый асимметричный С-атом и возможность существования двух новых стереоизомеров — - и -аноме- ров. У -аномеров полуацетальный гидроксил повернут ниже, а у -аномеров выше плоскости цикла (рис. 23, 24). Следовательно, и D-, и L-энантиомеры каждого моносахарида могут существовать в виде - и -аномеров.

Кроме этого, выделяют особый тип изомерии моносахаридов — эпимерию (частный случай диастереомерии). Эпимеры — это два моносахарида, которые различаются только по конфигурации заместителей относительно одного определенного атома С. Например, D-глюкоза и D-манноза — это эпимеры по С-2, а D-глюкоза и D-галактоза эпимеры по С-4.

Следует отметить, что за некоторыми исключениями моносахариды редко встречаются в свободном состоянии. Например, D-глюкоза (виноградный сахар) присутствует в плодовых соках и в плазме крови (один из основных параметров гомеостаза), а

100

Ðèñ. 24. Аномерия, конфигурация и конформация моноз (стрелкой отмечено положение полуацетального гидроксила)

101