Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

руппами и 5'-ОН-группами нуклеозидов (см. с. 348). Они называются иуклео-зидди- или нуклеозидтрифосфатами и обозначаются ppN, ppdN, pppN, pppdN. Пирофосфатные группы могут быть соединены с 5'- и З'-гидроксилами рибозы. Наиболее интересным соединением такого рода является гуанозинтетрафосфат: гуанозин-5'-дифосфат-3'-дифосфат, ppGpp

0=р-I

о

R Н.

- дифосф ет (ppdN)

R — ОН, нумлеозид — 5'

- дифосфат (ppN)

0 "о "о

1 I I

о=р—о—р—о—р—о—сн

I II II I /О

ООО

R Н. дезоксинуклеоэид — 5'

- трифосфат (pppdN)

R ОН нуклеоэид — 5'

- трифосфат (pppN)

"О—р—О—р—ОСНг

к 'I/O.

о- о

-о—р—о—р-О он

I I

о- о-

Гуаноэнн - 3 дифосфат - 5'

- дифосфат (гуанозинтетрафосфат. ppGpp)

Редкие (минорные) компоненты нуклеиновых кислот. Помимо основных компонентов, в состав нуклеиновых кислот могут входить иуклеозиды с необычными гетероциклическими основаниями или с модифицированным углеводным остатком.

Редкими компонентами ДНК являются метилированные основания: 5-метилцитозин, 6-М-метиладенин и некоторые другие.В ДНК

NHCH

CO

303

Строение нуклеиновых кислот

Н

5— Метипцитоэин (m'Cyt)

N

I

Н

6 — N - АЛетилоденин (m Ade)

некоторых бактериофагов вместо цитозииа имеются 5-гидроксиме-тилцитозии и его глюкозилироваииые производные — a-D-глюко-пиранозил или [i-D-глюкопиранозил

СН2ОН

5- Гидроксиметилцитозмн 5 - (a - D- Глюнопмраноэмлгидроксиметил) 5 (|) О Глюкопнреноэилги дроксиметил)

(hrn^Cyt) цитозмн цитозин

РНК также содержат редкие компоненты. Они в большей степени встречаются в тРНК, в меньшей степени — в рибосомных и ядерных РНК. Наиболее распространены производные обычных оснований (цитозина, урацила, аденина и гуанина) с заместителями в гетероциклическом ядре или в экзоциклических аминогруппах. Известны некоторые производные урацила, такие, как 3 метилури цин, 4-тиоуридин и т. д. Необычная модификация наблюдается в случае псевдоуридина, в котором урацил соединяется с сахаром С-гликозидной, а не N-гликозидной связью за счет атома C-5 гетероциклического ядра

R R ОН ОН

3- Метилуридин (n>3(J) «1-Тиоуридмн (S*U) Псевдоуридин (tj)

304

Нуклеиновые кислоты

Очень часто в тРНК встречается продукт дезаминирования адеиозниа—инозин. Известны компоненты, являющиеся продуктами метилирования 2'-гидроксила рибозы (2'-0-метилнуклеозиды)

Тейтем |Tatum| Эдвард Лори (1909— 1975), американский генетик и биохимик. Окончил Висконсинский университет в Милуоки (1931), с 1957 г.— профессор Рокфеллеровского института медицинских исследований. Основное направление научных исследований — молекулярная генетика. Сформулировал концепцию «один ген — один фермент», ставшую основой биохимической генетики (1944, совместно с Дж. Биллом). Открыл явление генетической рекомбинации у бактерий — конъюгацию (1946, совместно с Дж. Ледербергом). Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1958, совместно с Дж. Бидлом и Дж. Ледербергом).

HOCHj

он осн.

2 О-Мвтилнуклвоэид (Nm)

Олиго и полинуклеотиды. О чигонуклеотидами называют по л им еры, в которых несколько нуклеозидов (до 20) соединены друг с другом фосфодиэфирными связями; более длинные цепи называют полинуклеот идами.

В обычных нуклеиновых кислотах 5'-гидроксильная группа одного нуклеозида связана с З'-гидроксильиой группой другого посредством остатка фосфорной кислоты, образующей с этими группами сложноэфирные связи. Простейшими олигонуклеотидами являются динуклеозидмонофосфаты |нуклеотидил-(3' — 5')-нуклео-зиды]. В молекуле аденилил-(3' —* 5')-цитидина (рис. 173) два углеводных остатка неодинаковы с химической точки зрения. Тот, который принадлежит аденозину, имеет свободную 5'-гидроксиль-ную группу, тогда как его 3'-гидроксильная группа участвует в образовании фосфодиэфирной связи. Другой, принадлежащий цитидииу, напротив, содержит свободную 3'-гидроксильную группу, а его 5'-гидроксильная группа вовлечена в образование фосфодиэфирной связи.

Рис. 173. Аденилил-(3' — 5')-цитидин <АрС>.

NH2

\

5'ОН

Г)

II

-р—о-сн2 о

он о—р=о

п—

2'ОН З'ОН

или А С

-ОН —ОН 2'

ОН ОН

I-------:----1 5.но

Мах

З'ОН

Нуклеозид со свободной 5'-ОН-группой называется 5'-концевым, нуклеозид со свободной З'-ОН-группой — концевым Это определение относится и к более длинным олигонуклеотидам, например тетрануклеотиду, изображенному на рисунке 174. Полное название олигоиуклеотида: адеиилил-(3' -*¦ 5')-уридил-(3' 5')-гуаиилил-(3' 5')-Цитидин. Для простоты написания и произношения нуклеозиды обозначаются однобуквенным кодом и нуклеотидные цепи записываются слева направо, начиная с 5'-концевого нуклеозида в порядке следования моиомериых звеньев. Возможны два варианта сокращенного написания: динуклеозидмоиофосфат (рис. 173) может быть записан как АрС или А—С, а тетрануклеотид (рнс. 174) как ApUpGpC или А — U — G—С. В случае дезоксирибоолиго-или поли нуклеотидов добавляется символ d: d (А — Т — G — С —...).

Для обозначения поли нуклеотидов используются способы, которые иллюстрируются примерами: поли(А), полйЧА — U); они представляют собой соответственно полимеры: А — А — А — А —... и А — U — А — U — А — U —.... а в случае дезоксирибополи нуклеотидов: поли d (А), поли d (А — Т). В сокращенной записи фосфорилирование 5'-концевого звена символизирует буква «р» слева от 5'-кои-цевого звеиа: рАрС, pApUpGpC, рА — С, рА — U —G — С. Фосфорилирование З'-концевого звена обозначается той же буквой, но справа от него: АрСр, ApUpGpCp, А — Ср, А — Ut— G — Ср.

305

Строение нуклеиновых кислот

Рис. 174. Лденили (3 —*¦ 5') -уридил-(3' *- 5')гуанилил(3' *¦ 5')-цитидин. (ApUpGpC)

306

Нуклеиновые кислоты

Ледерберг (Lcderberg) Джошуа

(p. 1925) американский генетик. Окончил Колумбийский университет (1944), с 1959 г.— профессор Стэнфордского университета. Заложил основы генетики микроорганизмов. Открыл явление конъюгации у бактерий (1946, совместно с Э. Тейтемом). Выяснял причины возникновения устойчивости бактерий к антибиотикам. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине [1958, совместно с Дж. Бидлом и Э. Тейтемом).

При описании химических процессов с участием сахара и фосфорной кислоты применяются также условные обозначения поли-нуклеотидиых цепей, как это показано иа рисунках 173 и 174: остатки сахара изображаются прямыми линиями, соединенными между собой; 2'-, 3'- и 5'-гидроксилы символизируются отрезками, исходящими из прямой.

Различные олиго- и полинуклеотиды отличаются друг от друга содержанием нуклеотидов каждого типа. Выраженные в процентах относительные количества моиомерных звеньев называют нуклеотидный составом, а их последовательность— первичной структурой нуклеиновой кислоты.

При доказательстве химического строения нуклеозидов, нуклеотидов и полинуклеотидов определяются тип гетероциклического основания, природа углеводного компонента и место присоединения его к основанию, конфигурация гликозидного центра; устанавливаются также число и место присоединения остатков фосфорной кислоты.

Гетероциклические основания в составе нуклеиновых кислот идентифицируются после жесткого кислотного гидролиза сравнением их хромато рафических характеристик, электрофоретической подвижности, а также УФ-, ПК- и ЯМР-спектров.

Идентификация углеводных компонентов также проводится после кислотного гидролиза нуклеиновых кислот. При этом из пуриновых или предварительно гидрированных по 5, 6 двойной связи пиримидиновых рибонуклеотидов образуется D-рибоза. Основания дезоксирибонуклеотидов отщепляются в значительно более мягких условиях, чем рибонуклеотиды, но вследствие нестабильности образующаяся дезоксирибоза превращается в еву и новую кислоту. При чрезвычайно мягкой обработке кислотой пуриновых или восстановленных пиримидиновых дезоксирибонуклеотидов удается выделить дезоксирибозу или ее легко идентифицируемые производные

НОСН В о

; о ¦ н il

к я -«¦— ВН ¦< СН.ССН СН.СООН

^i^^^^f Гетероцик- Левулинован

г^^^^ кыческое кислоте

основание

ОН R Фурлнознля форма ¦ юиорабиза R Ot

Возможность отщепления гетероциклического основания от углевода в условиях мягкого кислотного гидролиза позволяла предположить, что нуклеозиды представляют собой N гликозиды причем в образовании гликозиднои связи участвует один из гетероциклических атомов. С помощью спектральных и химических методов анализа было установлено, что основание соединено с углеводом своим N-9 атомом в случае пуринов и N-1 в случае пиримидинов. В состав нуклеотидов входят только два остатка сахара — D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза. С помощью периодатного окисления было показано, что оба углевода находятся в форме фураиозы. Наличие в циклической форме углевода асимметрического (С-1'J атома углерода обусловливает возможность ее существования в виде двух различных стерео изомеров. В соответствии с принятий номенклатурой стереоизомеры, отличающиеся только конфигурацией гликозидного центра, называются аномерами. Тот из аномеров,

который имеет одинаковую конфигурацию у С-Г и у атома, определяющего принадлежность сахара к D- или к L-ряду (см. с. 446), называется а-аиомером. Аномер с противоположными конфигурациями у этих атомов называется Р-аиомером

НОСгЬ

ОН R

R Н а — «номер гликозидл

D — де эокс м рибозы К- ОН, а—ономер глыиозиде D- рибозы (Конфигурации атомов С—Г и С-4', отмеченнык кружками, одинаковы)

НОСН2 В

ОН R К Н р-чномер глниозида

О— дезоксирибозы R ОН Н «номер гликозидв D— рибозы (Конфигурации атомов С-Г и С-4'. отмеченных кружками противоположны)

307

Строение нуклеиновых кислот

Касперсон |Caspemon| Тобийорт Ос

иар (р. 1910), шведский биофизик. Окончил Стокгольмский университет (1936), с 1944 г.— руководитель медицинского отдела Нобелевского института медицинских исследований клетки и лаборатории экспериментальных исследований клетки в Стокгольме. Основные работы в области физики клетки. Исследовал содержание, распределение в клетке и биологическую роль нуклеиновых кислот, в первую очередь РНК.

...N,(3'-~5')Nj

В нуклеиновых кислотах оба моносахарида имеют Р-конфигура-цию аномерного центра. Современные доказательства конфигурации аномерного центра базируются на исследовании ЯМР- и ИК-спектров, спектров кругового дихроизма и дисперсии оптического вращения.

При щелочном и кислотном гидролизе ДНК и РНК ведут себя различно. ДНК устойчива к действию щелочи, тогда как РНК очень быстро гидролизуется и дает смесь нуклеозид-З'- и нуклеозид-2'-фосфатов. Эти данные свидетельствуют о том, что в случае РНК наиболее вероятен 5'3' тип фосфодиэфирной связи.

Лучшие результаты дают ферментативные методы гидролиза, в том числе использование фосфодиэстеразы змеиного яда, рибонуклеазы и других срерментов. Совокупность химических и срермен-тативных методов однозначно показывает что и в ДНК, и в РНК полинуклеотидные цепи построены однотипно за счет 5'З'-фос-фодиэфирных связей между каждыми двумя соседними нуклеозид ными звеньями.

До недавнего времени среди нуклеиновых кислот не обнаруживались разветвленные структуры, что позволяло считать их исклю чительно линейными полимерами. В последние годы показана возможность существования и разветвленных структур РНК. В частности, гетерогенные ядерные РНК в клетках опухоли Hela содержат до 10% молекул, в которых ответвление обусловлено присоединением одной цепи РНК к другой посредством 2' -* 5'-фосфодиэфирных связей. Таким образом, в точке разветвления существует структура.

Определение первичной структуры

Общие принципы расшифровки первичной структуры нуклеиновых кислот те же, что и в случае других биополимеров. Поли-нуклеотидная цепь расщепляется с помощью ферментов и химических агентов, обладающих повышенной избирательностью, на фрагменты, которые дешифруются специфическими методами, и затем реконструируется вся цепь.

308 Знание первичной структуры нуклеиновых кислот необходимо

для выяснения связи между их строением и биологической функ-Нуклеиновые кислоты цией и в конечном итоге — для понимания механизма их биологи-

ческого действия. При этом приобретают прочную основу выводы эволюционного и таксономического (систематического) плана. Однако в последние годы расшифровка нуклеотиднои последовательности генетических структур стала и главным путем выяснения первичной структуры соответствующих белков, обеспечив очень быстрый прогресс в этой области.

Впервые последовательность нуклеиновой кислоты аланиновой тРНК из дрожжей была расшифрована в 1965 г. Р. Холли. Дли установления структуры использовалась методология, аналогичная разработанной Ф. Сенгером для определения аминокислотной последовательности белков. Усовершенствование этого подхода привело в 1975 г. к расшифровке последовательности целого генома — РНК фага MS-2. В настоящее время известны структуры многих тРНК, 5S и 5,8S рибосомиых РНК, а также структуры больших рРНК (16S 23S, I8S и 28S) из ряда организмов.

Исследования структуры ДНК развивались значительно медленнее, что было обусловлено отсутствием ферментов, специфически расщепляющих полидезоксирибоиуклеотидную цепь, подобных рибонуклеазам, которые гидролизуют РНК. Поэтому первые структуры достаточно протяженных участков ДНК были расшифрованы иа основе установления последовательности РНК.

Подлинная революция в методологии определения последоиа тельности нуклеиновых кислот вообще и в особенности ДНК про-Рис. 175. Принцип блочного метода изошла после открытия ферментов рестрикции (X. Смит, В. Арбер, определения структуры. Д. Натане) позволяющих весьма специфично фрагмеитировать

Олигонуклеотид

i| agctcga;

AGCТCCA а ОТ

1 1 a g т та а с g т

tAACGT OCTTAWO (¦) X: AGCTCGA A G Т TAACGT GCTTAGG

У AGCTCGA AGT TAACGT GCTTAGG

AGCTCGAAGTTAACGTGCTTAGG

дезо кс и рибонуклеиновые кислоты. Были разработаны также методы быстрого определения последовательностей длинных участков ДНК. Успехи в анализе последовательности ДНК привели к тому, что структуры РНК стали определяться путем их «переписывания» в соответствующую дезоксирибонуклеотидную последовательность с помощью обратной транскриптазы.

Принцип блочного метода определения последовательности показан на рисунке 175. Олигонуклеотид неизвестной структуры расщепляется двумя способами: X и Y различающимися по специфичности. При расщеплении по способу X образуются три олиго-нуклеотида, а по способу Y — два. Структуры всех полученных фрагментов устанавливаются соответствующим методом. Далее проводится сопоставление структур олигонуклеотидрв Y со структурами X с целью нахождения частично совпадающих (перекрывающихся) последовательностей и реконструкции таким образом исходной цепи. Поскольку каждый полученный олигонуклеотид представляет собой блок, из суммы которых строится исходная структура, метод называется методом перекрывающихся блоков.

Ферменты, расщепляющие ДНК. Фрагментация нуклеотидной цепи при анализе последовательности осуществляется с помощью ферментов, называемых нуклеазами. Известно значительное число таких ферментов. Одни из них расщепляют фосфодиэфирные связи внутри полинуклеотидной цепи (эидодезоксирибонуклеазы), другие гидролизуют цепь начина

страница 41
< 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
(29.04.2017)