Первичной структурой нуклеиновых кислот называют порядок чередования нуклеотидов (нуклеозидмонофосфатов) в полинуклеотидной цепи.

Мономеры в молекулах нуклеиновых кислот соединены сложноэфирной связью, образованной 5´- гидроксильной группой фосфатного остатка одного мононуклеотида и 3´-гидроксильной группой пентозного остатка другого мононуклеотида (3', 5' - фосфодиэфирная связь).

Линейные цепи ДНК и РНК, длина которых зависит от числа входящих в цепь нуклеотидов, имеют два конца: на одном имеется 5'- фосфатная ОН -группа (5'-конец), на другом -свободная 3'-ОН- группа (3-конец). Разные нуклеиновые кислоты отличаются друг от друга фактически чередованием азотистых оснований, так как пентозофосфатные части у всех мономеров одинаковы. Для краткого изображения первичной структуры нуклеиновых кислот пользуются однобуквенными символами азотистых оснований. Первичная структура РНК может быть представлена такой записью:

(5´) А - У - А - А - Г - У - Ц - У-… (3-).

Запись структуры ДНК отличается приставкой «д» (дезокси) и вместо символа «У» встречается символ «Т» :

(5´) д (А - Т - А - Ц - Г - Т - А -...) (3').

Число нуклеотидных звеньев в цепи ДНК колеблется от нескольких десятков тысяч до сотен тысяч, а в молекуле РНК – от нескольких десятков до нескольких тысяч.

Анализ первичной структуры молекул ДНК и РНК позволил американскому биохимику Эрвину Чаргаффу сформулировать ряд правил, которым подчиняется строение нуклеиновых кислот.

1. В молекуле ДНК молярная сумма пуриновых оснований (А и Г) равна молярной сумме пиримидиновых оснований (Ц и Т): А+Г = Ц+Т.

2. В молекулах ДНК число остатков А всегда равно числу остатков Т, в таком же соотношении находятся Ц и Г: А=Т, Г=Ц.

3. Отношение молярных сумм (Г+Ц) : (А+Т) в молекуле ДНК, а также (Г+Ц) : (А +У) в молекуле РНК специфично для разных организмов. Такое соотношение получило название коэффициента специфичности нуклеиновых кислот.

На основе правил Чаргаффа и данных рентгеноструктурного анализа, американский биохимик Джеймс Уотсон и английский генетик Френсис Крик в 1953 году предложили модель вторичной структуры ДНК. Молекула ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль, построенную из двух противоположно направленных (антипараллельных) цепей полинуклеотидов. Стабильность такой структуре придают водородные связи и гидрофобные взаимодействия. Водородные связи устанавливаются между комплементарными азотистыми основаниями и направлены поперек спирали. Комплементарными являются аденин и тимин, гуанин и цитозин.

Гидрофобные связи действуют вдоль оси спирали: они как бы прижимают уложенные в стопку азотистые основания, поэтому получили название стэкинг-взаимодействия.

Для ДНК эукариот характерна третичная структура, она формируется за счет водородных связей и межмолекулярных взаимодействий и может иметь различную форму: колицевиднозамкнутую, в виде клубка, суперспираль. Молекулы ДНК образуют с белками гистонами нуклеопротеин хроматин. Структурной единицей хроматина служит нуклеосома. Она представляет собой ядро из молекул гистонов, вокруг которого навита биспиральная ДНК. Нуклеосома завивается в спираль, сильно уплотняется и конденсируется в хроматин, составляющий основу хроматиды – структурной единицы хромосомы. Возникновение третичной структуры ДНК является необходимым условием передачи большого объема генетической информации, свойственной эукариотической клетке.

РНК– однонитевые молекулы, в отличие от ДНК; их вторичная и третичная структуры нерегулярны. По своим биологическим функциям РНК подразделяются на следующие типы: рибосомная – рРНК, транспортная – тРНК и матричная – мРНК, малая ядерная – мяРНК.

рРНК входит в состав клеточных органелл – рибосом. Данный тип РНК участвует в формировании структуры рибосом, на которых осуществляется синтез белка.

тРНК выполняют функцию переносчика аминокислот к месту синтеза белка.

мРНК передает считанную ею информацию с ДНК на синтезируемый белок, т.е. выполняет роль матрицы при синтезе полипептидной цепи на рибосоме. Рибосома – фабрика синтеза белка. Она считывает информацию с мРНК и транслирует ее на молекулу белка.

мяРНК выполняет каталитическую функцию.

Нуклеиновые кислоты не встречаются в свободном виде (за исключением тРНК) in vivo, в большинстве своем они связаны с белками основного типа – протаминами и гистонами. Нуклеиновая кислота и белок в нуклеопротеине взаимно стабилизируют друг друга. При этом значительно повышается устойчивость обоих компонентов к денатурации. Кроме того, нуклеопротеины обладают рядом уникальных свойств. Например, рибонуклеопротеины (РНП) – рибосомы играют важнейшую роль в биосинтезе белка, а ДРНП – частицы (нуклеосомы ядра) – в формировании и функционировании хромосомного аппарата клетки.

В последние годы предложен ряд новых быстрых методов узучения первичной структуры ДНК, которые позволили установить последовательность нуклеотидов в ДНК ряда вирусов, большого числа микроорганизмов, некоторых эукариот (дрожжи, круглый червь, дрозофила и др.) В настоящее время во многих странах действует Международная программа «Геном человека». Цель ее – выяснение последовательности оснований во всех молекулах ДНК человека. Данные о первичной структуре генома человека были опубликованы в 2003 году и приурочены к 50 – летию открытия вторичной структуры ДНК Дж.Уотсоном и Ф.Криком. В результате расшифровки было выявлено более 30000 индивидуальных генов, из которых 1400 имеют отношение к развитию наследственных болезней. Предстоящий гораздо более важный этап: идентификация функций каждого гена на основании биохимических, биологических и генетических исследований.

Большие успехи в расшифровке первичной структуры нуклеиновых кислот достигнуты при исследовании нуклеотидной последовательности различных видов РНК.

Задания для самостоятельного изучения

1. Выучить формулы основных компонентов нуклеиновых кислот

2. Построение нуклеозидов.

3. Построение нуклеотидов.

4. Построить и объяснить сущность первичной структуры ДНК.

5. Транспортная РНК. Строение и функции.

6. Рибосомальная РНК. Строение и функции.

7. Матричная РНК. Строение и функции.

Тема «ВИТАМИНЫ»

Витамины – класс биологически активных соединений, объединяемых по признаку строгой необходимости в обмене веществ в организме человека и животных. Это низкомолекулярные вещества различной химической природы, требуются они в организме в ничтожно малых количествах. Витамины входят в состав биологических катализаторов – ферментов, участвуя в механизмах катализа и регуляции биохимических процессов.

В настоящее время известно около двух десятков витаминов. Они подразделяются на две группы: жирорастворимые  и водорастворимые. Первые – типичные гидрофобные соединения с ярко выраженной циклической и ациклической углеводородной структурой; в конечном счете они построены из строительных блоков изопренового типа. Вторые – вещества гидрофильные; в отличие от жирорастворимых витаминов, биохимические функции водорастворимых витаминов сейчас достоверно установлены.

Ряд витаминов представлен не одним, а несколькими соединениями со сходными биологическими активностями. Они называются витамерами.

В растениях, микроорганизмах встречаются вещества, которые сами по себе не проявляют биологической активности, но являются предшественниками образования витаминов. Они получили название провитаминов.

Жирорастворимые витамины

Витамин А представляет собой группу витамеров – ретинол, ретиналь, ретиноевую кислоту. Это витамин роста детей. Первым признаком его недостатка является ночная (куриная) слепота, поражение кожи. Содержится в животной пище; в растениях широко распространены провитамины А – каротины.

Витамин D включает в себя группу витаминов – кальциферолов, обладающих антирахитическим действием. Содержится лишь в животных продуктах. Особенно много его в жире, выделенном из печени морских животных и рыб. В растениях и особенно в дрожжах встречается эргостерол, который под действием УФ-лучей превращается в витамин D₂.  В подкожном жире человека и животных содержится 7–дегидрохолестерол, который под действием УФ-лучей превращается в витамин D₃.

Витамин Е – антиоксидант; представляет собой группу витамеров – токоферолов. Недостаток токоферолов ведет к нарушению функционирования клеточных мембран в результате нарушения их структуры под действием реактивно активных форм кислорода. В большом количестве витамин Е содержится в масле из пшеничных зародышей; из пищевых продуктов им богаты растительные масла.

Витамин К принимает участие в свертывании крови; в него входят два витамера К₁ и К₂. Витамер К₁ встречается преимущественно в зеленых частях растений; витамер К₂ синтезируется микроорганизмами.

Водорастворимые витамины

К водорастворимым витаминам группы В относятся витамины В₁,В₂, РР, В₆, пантотеновая кислота (В₃), В_с, В₁₂. Биологические функции витаминов группы В на молекулярном уровне хорошо известны. За исключением витамина В₁₂, эти витамины имеют один общий признак – они содержатся в достаточно больших количествах в пшеничных, рисовых отрубях и дрожжах. Водорастворимые витамины играют важную роль в регуляции белкового углеводного, жирового обменов веществ в организме; являются факторами роста детей, молодых животных, птиц, микроорганизмов. Они входят в состав ферментов, играющих ключевую роль в метаболизме веществ клетки.

В обмене веществ важна роль витамина С, его недостаток ведет к тяжелому заболеванию – цинге. В водных растворах аскорбиновая кислота неустойчива, быстро окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая обладает такой же витаминной активностью, как и аскорбиновая. Биологические функции витамина С разнообразны. Витамин С содержится в овощах, фруктах, ягодах. Особенно им богаты плоды шиповника, черная смородина, черноплодная рябина, перец, петрушка, белокочанная капуста. При сушке и консервировании овощей и плодов витамин С легко разрушается.

Биотин (витамин Н) необходим для функционирования ферментов.

Близкими к витаминам являются витаминоподобные вещества (п-аминобензойная  кислота, инозит, оротовая и липоевая кислоты) Эти соединения похожи на витамины, хотя их функционирование в качестве витаминов не доказано. Требуются они человеку в гораздо больших количествах, чем витамины.

С целью повышения биологической ценности пищевых продуктов их обогащают витаминами. В пищевой продукт чаще всего вносят витамины С и В, которые в большинстве случаев являются дефицитом в питании человека.

Таблица 3