Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

а в 1891 г. немецкий биохимик А. Кёс-сель описал гидролиз нуклеиновой кислоты, установив, что она состоит из остатков сахара, фосфорной кислоты и четырех гетероциклических оснований, принадлежащих к пуринам и пиримидинам. Он же впервые указал на существование двух типов нуклеиновых кислот.

С начала нашего века началось интенсивное изучение продуктов расщепления нуклеиновых кислот. Э. Фишер внес большой вклад в химию пуринов и пирнмидинов, а позднее Ф. Левен, Д. Гулланд и др. определили строение углеводных компонентов и природу нукле-озидных звеньев (названия «нуклеозид» и «нуклеотид» были предложены Ф. Левеном еще в 1908—1909 гг.). Окончательно строение нуклеозидов, нуклеотидоа и роль фосфодиэфирной связи были выяснены в 1952 г. в результате работ английской школы под руководством А. Тодда.

Что касается полимерной природы нуклеиновых кислот, то с конца 30-х годов существовало убеждение, что ДНК представляет собой тетрануклеотид с четырьмя различными гетероциклическими основаниями; это позволило Ф. Левену сформулировать позднее тетрануклеотидную теорию строения ДНК. Теория была опровергнута лишь в 1950 г. благодаря работам Э. Чаргаффа, который при тщательном анализе нашел значительные различия в нуклеотидном составе ДНК из разных источников; он же сформулировал правила о попарной эквивалентности содержания аде ни на и тимина, гуанина и цитозина в ДНК. Пионерские работы по изучению химического состава ДНК растений были выполнены в этот период А. Н. Белозерским и его сотрудниками.

Накопленные данные позволили сформулировать концепцию: генетическая информация в полимерной цепи ДНК заключена в порядке чередования четырех мономерных звеньев. К этому времени в лаборатории М. Уилкинса (Р. Франклин) были получены первые рентгенограммы ДНК. Венцом исследований по строению нуклеи-ноаых кислот явилась модель двойной спирали ДНК предложенная в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком и ознаменовавшая рождение молекулярной биологии.

К началу 40-х годов были получены прямые доказательства участия нуклеиновых кислот в передаче генетической информации. В 1940 г. Дж. Бидл и Э. Тейтем, основываясь на многочисленных экспериментальных данных по изучению мутантных штаммов хлеб-

ной плесени Neurospora crassa, сформулировали важный принцип «один ген один фермент». Несколько позднее О. Эйвери, К. Мак-Леод и М. Мак Карти однозначно установили, что передача наследственной информации от клетки к клетке осуществляется ДНК.

Идея самовоспроизводства, или репликация, ДНК, следовавшая из модели Уотсона — Крика, была подтверждена открытием фермента ДНК-полимеразы (А. Корнберг, 1957).

Начало работам, приведшим к выяснению биологической роли РНК, было положено Т. Касперсоном и Ж. Браше еще в 30-х годах. Значительно позже (а 50-х годах) было показано, что синтез белка осуществляется рибосомами, но концепция о существовании РНК-посредника (мРНК) переносящего информацию от ДНК к рибосомам, была сформулирована Ф. Жакобом и Ж. Моно только в 1961 г. Главный фермент транскрипции — ДНГК-зависимая РНК-полимераза— был открыт в 1960 г. С. Вейссом, Ж. Гурвицем и О. Стиве нсом.

Одним из самых важных этапов в изучении функции нуклеиновых кислот явилась расшифровка способа записи информации в ДНК и принцип передачи ее на белковую структуру, т. е. формулирование генетического кода. В 1961 г. Ф. Крик и С. Бреннер показали, что каждой аминокислоте в белке соответствует триплет нуклеотидов. К этому времени были уже обнаружены транспортные РНК (М. Б. Хагланд и К. Огата, 1957) и выяснена их функция, проявляемая во взаимодействии антикодонов и кодонов (П. Замечник, 1957). Сам же генетический код, состоящий из 64 кодонов, был установлен в 1966 г. благодаря работам М. Ниренберга, Г. Кораны и С. Очоа.

С момента открытия генетического кода начинается новый этап в изучении структуры и функции нуклеиновых кислот. Он характеризуется стремительным накоплением огромного количества экспериментальных данных, приведших к новым качественным представлениям.

К 1970 г. исследования так называемой системы рестрикции и модификации, которая существует в прокариотических клетках и предохраняет от попадания внутрь клетки чужеродной генетической информации, приаели к выделению первого из ферментов, осуществляющих рестрикцию. Им оказалась эндонуклеаза, расщепляющая ДНК по определенной последовательности основании Затем было найдено около 400 подобных ферментов, способных узнавать свыше 90 различных последовательностей в ДНК.

Таким образом, появился метод специфических расщеплений молекул ДНК, который состааил основу современной методологии установления структуры нуклеиновых кислот и генной инженерии. Исследования рестрикционных эндонуклеаз были отмечены Нобелевской премией, присужденной X. Смиту, В. Арберу и Д. На-тансу.

В 1970 г. американские ученые Г. Темин и Д. Балтимор сообщили об открытии в вирионах опухолеродных РНК-содержащих вирусов фермента — обратной транскриптазы, способного синтезировать ДНК, используя РНК в качестве матрицы. Существование такого фермента ранее было предсказано советским генетиком С. М. Гер-шензоном. Это открытие явилось настоящей революцией в фундаментальных представлениях о путях биосинтеза нуклеиновых кислот и дало возможность получения in vnro ДНК, являющихся копиями информационных РНК.

В 1972 г. П. Берг сообщил о соединении in vitro, с помощью специально разработанных приемов, ДНК двух различных вирусов: бактериофага X и SV-40. Таким образом, было положено начало генетической инженерии, которая вскоре стала использовать для получения фрагментов ДНК рестрикцийнные эндонуклеазы, а для

297

Строение нуклеиновых кислот

Кессель |Коме1| Альбрехт (1В53— 1927), немецкий биокимик, иностранный почетный член АН СССР (1926). Окончил Страсбургский университет (1В77) с 1ВВ7 г.— профессор Берлинского, а в 1901—1923 гг.— Гей дельбергского университетов- Основные работы посвящены химии белков и нуклеопротеидов. Впервые описал гистоны и протамины. Автор одной из первых теории строения Белков, fid уреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1910).

298

Нуклеиновые кислоты

Чаргафф IChargaff] Эр нн (р. 1905), американский биохимик. Окончил Венский университет (1926); с 1935 г.— в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Основные работы — по изучению химического состава и структуры нуклеиновых кислот, определил количественное соотношение азотистых оснований, входящих в их состав (правило Чаргаффа). Это открытие было использовано Ф. Криком и Дж. Уотсо-ном при построении модели структуры ДНК.

их соединения открытые и хорошо охарактеризованные к тому времени ферменты — ДНК-лигазы. Были разработаны (Г. Бойер, С. Коэн, Д. Хелинский) системы введения чужеродных ДНК в различные клетки, которые использовали в качестве носителя ДНК вне хромосомные элементы, способные существовать и размножаться в этих клетках, зачастую вместе с ним. Встраивание чужой ДНК в носители (векторы) осуществлялось путем разрезания их рестрик ционными эндонуклеаэами и последующего сшивания лигазами.

Методы генной инженерии в сочетании с доступностью ДНК, являющихся копиями мРНК, открыли три возможности: а) выделение ранее труднодоступных генов эукариот в индивидуальном виде; б) получение их в больших количествах, необходимых для структурного анализа; в) создание системы их экспрессии в чужеродных организмах, например в бактериальных клетках.

Последнее обстоятельство открывало путь к созданию живых организмов с заданными свойствами. Вскоре эта возможность реализовалась в биотехнологии. Были получены микробы, способные продуцировать самые разнообразные белки, обычно синтезируемые эукариотическими, в том числе человеческим, организмами.

Две первые возможности сделали реальным анализ структуры ранее недоступных генов. Недоставало только методов быстрого определения первичной структуры больших ДНК.

В 1975 г. А. Максам и У. Гилберт в США и Ф. Сенгер в Великобритании разработали такие методы, ставшие последним звеном в цепи методов, необходимых для широкомасштабных исследований структуры и функционирования геномов. В разработку этих методов существенный вклад был внесен А. Д. Мирзабекоаым и Е. Д. Свердловым (СССР).

Строение нуклеиновых кислот

Первичная структура нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, построенные из нуклеотидоа, соединенных фосфодиэфирной связью. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из остатков гетероциклического основания, углевода и фосфорной кислоты.

Одним из важнейших компонентов нуклеиновых кислот являются гетероциклические основания. Все они представляют собой производные пиримидина или пурина.

В подавляющем большинстве случаев нуклеиновые кислоты в качестве гетероциклических оснований содержат урацил (только в РНК), тимин (только в ДНК) и цитозин, являющиеся производными пиримидина, а также аденин и гуанин, относящиеся к производным пурина.

В соответствии с принятой номенклатурой основания могут записываться трехбуквенным кодом, представляющим три первые буквы их латинского названия.

о ii

I

н

Урацил (Ure)

Н

Тимин (Thy)

NH

I

N

1

Цитозин (СуО

N

I

N

N

н

Аденин (Ade) О

"ЛN

Н N N N

Н

Гуанин (Сие)

299

Строениенуклеиновыхкислот

Нуклеозиды. В составе нуклеиновых кислот гетероциклические основания связаны с D-рибозой в РНК или с 2-дезокси-1}-рибозой в ДНК, образуя соединения, называемые соответственно рибо-нуклеозидами или дезоксирибонуклеозидами. Нуклеозиды являются p-N-пентафуранозидами гетероциклических оснований

СНО

носн. он

о^

Белозерский Андрей Никола

(1905—1972), советский биохимик, ака-демии АН СССР (1962). Окончил Среднеазиатский университет в Ташкенте (1927), работал в Московском университете и в Институте биохимии им. А. Н. Баха АН СССР, в 1971 — 1972 гг-— вице-президент АН СССР. Основные работы посвящены химии и биохимии нуклеиновых кислот. Первым установил (1936) наличие в нуклеопро-теидах растительной клетки ДНК и нещелочных белков, исследовал их структуру и локализацию Показал видовую специфичность нуклеиновых кислот, обнаружил связь между составом нуклеиновых кислот и филогене эом организмов. Герой Социалистического Труда (1969).

ОН

-ОН

ОН

2 - Дезокси- О—рибоза

Пиримидиновые основания соединяются с углеводом своими N-1, а пуриновые — N-9 атомами азота. Нуклеозиды, содержащие аденин н гуанин, называются аденозином или дезоксиаденозином и гуа-нозином или дезоксигуанозином. Нуклеозиды — производные ура-цила и цитозина называются соответственно уридином или дезокси уридином и цитидином или дезоксицитидином. Дезоксирибопроиз-водное тимина принято называть им иди ном, а рибопроизводное — риботимидином.

300

Нуклеиновые кислоты

Г.

Для сокращения названий нуклеозидов используется трехбуквенный или однобуквенный код. В первом варианте к двум начальным буквам латинского названия нуклеозида добавляется третья так, чтобы отличить название нуклеозида от названия основания! (например. Adenine = Ade, Adenozine = Ado). Во втором варианте используются начальные буквы латинских названий. Дезоксинук-леозиды отличаются от рибонуклеозидов добавлением префикса d; dAdo, dThd или dA, dT и т. д. Для обобщенного обозначения любого нуклеозида применяется символ N, для пиримидинового нуклеозида символ Y, пуринового — символ R

Бндл [Beadle | Джордж У>лс (р. 1903), американский генетик. Образование получил в университете штата Небраска и Корнеллском университете; в 1937—1968 гг.— профессор Стэнфорд-ского университета. Калифорнийского технологического института, президент Чикагского университета. Основные работы — в области цитологии и генетики. Один из основоположников биохимической генетики, выдвинул (1944, совместно с Э. Тейтемом) концепцию «один ген — один фермент». Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (195В, совместно с Э. Тейтемом и Дж. Ледербергом).

НОСН,-

ОН R R— ОН, аденозин (A, Ado) R Н , деэоксиаденозин (dA, dAdo)

ОН R К ОН, гуанозин (G, Go) R Н дезокс и гуанозин (dG dGuo

НОСН

I

ОН R R ОН уридин (U. Urd) R Н деэоксиуридин (dU dUrd)

ОН R R ОН. цитидин (С, Cyd) R Н дезоксицитидин (dC, dCyd)

ОН R ¦•ОН, риботимидин (Т, ThdJ = Н. тимидин (dT, dThd)

Для того чтобы различать номера атомов основании и атомов сахара, к последним в нуклеозидах добавляется сверху штрих. Например, С-3 углеродный атом рибозы в нуклеозиде называется С-3' атомом, а связанный с ним гидроксил — З'-гидроксилом.

Нуклеотиды. Третий компонент нуклеиновых кислот — ортофос-фориая кислота—образует сложноэфирные связи со спиртовыми группами рибозы или дезоксирибозы. Путем расщепления нуклеиновых кислот в контролируемых условиях удается выделить сложные эфиры нуклеозидов и фосфорной кислоты — нуклеотиды. Названия нуклеотидов производятся от названия гетероциклического основания, входящего в их состав, с добавлением слова «кислота»: цитидиловая кислота, адениловая кислота и т. д. В современной номенклатуре указываются также положения фосфатной группы или групп (аденозии-5'-фосфат, адеиозин-З'-фосфат, дезоксиаденозии-5'-фосфат); часто используются однобуквенные* сокращения: для 5'-фосфатов—рА, pG, рС, pLI, pN, pdA, pdG, pdC, pdU, pdN, для З'-фосфатов — Ар, Gp, Cp, Up, Np, dAp, dGp, dCp, dUp, dNp, для 2'-фосфатов — А(Щр, G(2')p, C(2')p, U(2')p, N(2')p

HOCH,

301

он о

Строениенукяеиновь хкислот

"о—P-o-CH.

ОН R

= ОН, нуклеозид -5'- фосфат (pN) — Н, дезоксинуклеозид - 5'— фосфат (pdN)

HOCHs в

о=р—о-I

о-

R —ОН. нуклеозид-3'-фосфат (Np) К= Н, дезоксинуклеозид -3' -фосфат (dNp)

Нуклеозид-2 -фосфат N{2 )р

В—гетероциклическое основание (от англ. basfl-осноаание)

При определенных условиях расщепления ри bo ну клеи но вы х кислот образуются циклические фосфаты, представляющие собой ди-эфиры ортофосфорной кислоты с 2'- и З'-гидроксильными группами рибозы. Они называются нуклеозид-2', З'-циклофосфатами и обозначаются N > р (например, адеиоэин-2', З'-циклофосфат, или А> р). Циклофосфаты типа (а) N(3', 5') > р не образуются при расщеплении нуклеиновых кислот. Некоторые из иих, например аденозин-3', 5'-циклофосфат (см. с. 240), являются продуктами ферментативных реакций, протекающих в клетке, и играют важную биологическую роль.

НОСНа

X

о о

Нуклеозид—2', 3'—циклофосфат (Н>р)

а) R-OH, нуклеозид-3', 5'-

циклофосфат 14(3', 5') р

б) К Н( дезоксинуклеозид —3', 5'-

циклофосфвт N( 3 5') Р

302 При гидролизе нуклеиновых кислот могут образовываться иук-

- леотиды, содержащие два остатка фосфорной кислоты, один из ко-

Нуклеиновые кислоты торых связан с гидроксильнои, а другой — с 3'- или 2'-гидро-

ксильной группами. Такие производные называют иуклеозид-3', 5'-

или нуклеозид-2', 5'-дифосфатами.

"О I

о=р—О -о

R H, д аоксинукг оэид - 3', 5" - дифосф т (dpNp)

R ОН, нуклеоэид — 3',

5' - дифосф т (pNp)

о-

I

о=р—О—CHi о-

Нукл.озид - 2', 5' -. [PN(2')P]

О

I

он о—р=о

I

О

Дмфосфв!

Важную роль в жизнедеятельности клетки играют сложные эфиры полифосфориых кислот и нуклеозидов. Наиболее широко распространены эфиры, образованные ди- или трифосфатными г

страница 40
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(23.08.2017)