Нуклеиновые кислоты: рнк и днк, первичная структура.

Нуклеиновые кислоты занимают исключительное место в процессах жиз­недеятельности живых организмов. Они осуществляют хранение и передачу генетической информации и являются инструментом, с помощью которого происходит управление биосинтезом белков.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соеди­нения (биополимеры), построенные из мономерных единиц — нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют также полинуклеотидами.

Структура каждого нуклеотида включает остатки углевода, гетероцикли­ческого основания и фосфорной кислоты. Углеводными компонентами нук­леотидов являются пентозы: D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза.

По этому признаку нуклеиновые кислоты делятся на две группы:

• рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие рибозу;

• дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие дезоксирибозу.

ДНК содержатся в основном в ядрах клеток, РНК преимущественно нахо­дятся в рибосомах, а также протоплазме клеток. ДНК играют главную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации). РНК уча­ствуют в управлении процессом биосинтеза белка. Наиболее известны три ви­да клеточных РНК:

• матричные (мРНК);

• рибосомные (рРНК);

• транспортные (тРНК).

Первичная структура нуклеиновых кислот. ДНК и РНК имеют общие черты в структуремакромолекул:

• каркас их полинуклеотидных цепей состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков;

• каждая фосфатная группа образует две сложноэфирные связи: с атомом С-З' предыдущего нуклеотидного звена и с атомом С-5' — последующего нуклео­тидного звена;

• нуклеиновые основания образуют с пентозными остатками N-гликозидную связь.

Приведено строение произвольного участка цепи ДНК, вы­бранного в качестве модели с включением в нее четырех основных нуклеино­вых оснований — гуанина (G), цитозина (С), аденина (А), тимина (Т). Принцип построения полинуклеотидной цепи РНК такой же, как и у ДНК, но с двумя отличиями: пентозным остатком в РНК служит D-рибофураноза, а в наборе нуклеиновых оснований используется не тимин (как в ДНК), а урацил.

(!) Один конец полинуклеотидной цепи, на котором находится нуклеотид со свободной 5'-ОН-группой, называется 5'-концом. Другой конец цепи, на котором находится нуклеотид со свободной З'-ОН-группой, называется З'-концом.

Нуклеотидные звенья записываются слева направо, начиная с 5'-концевого нуклеотида. Запись строения цепи РНК осуществляется по таким же прави­лам, при этом буква «d» опускается.

С целью установления нуклеотидного состава нуклеиновых кислот прово­дят их гидролиз с последующей идентификацией полученных продуктов. ДНК и РНК ведут себя по-разному в условиях щелочного и кислотного гид­ролиза. ДНК устойчивы к гидролизу в щелочной среде, в то время как РНК очень быстро гидролизуются до нуклеотидов, которые, в свою очередь, спо­собны отщеплять остаток фосфорной кислоты с образованием нуклеозидов. N-Гликозидные связи устойчивы в щелочной и нейтральной средах. Поэтому для их расщепления используется кислотный гидролиз. Оптимальные результаты дает ферментативный гидролиз с исполь­зованием нуклеаз, в том числе и фосфодиэстеразы змеиного яда, которые рас­щепляют сложноэфирные связи.

Наряду с нуклеотидным составом важнейшей характеристикой нуклеино­вых кислот является нуклеотидная последовательность, т. е. порядок чередова­ния нуклеотидных звеньев. Обе эти характеристики входят в понятие первич­ная структура нуклеиновых кислот.

Первичная структура нуклеиновых кислот определяется последовательно­стью нуклеотидных звеньев, связанных фосфодиэфирными связями в не­прерывную цепь полинуклеотида.

Общий подход к установлению последовательности нуклеотидных звень­ев заключается в использовании блочного метода. Сначала полинуклеотидную цепь направленно расщепляют с помощью ферментов и химических ре­агентов на более мелкие фрагменты (олигонуклеотиды), которые расшифро­вывают специфическими методами и по полученным данным воспроизводят последовательность строения всей полинуклеотидной цепи.

Знание первичной структуры нуклеиновых кислот необходимо для выяв­ления связи между их строением и биологической функцией, а также для по­нимания механизма их биологического действия.

Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей, кото­рым подчиняется нуклеотидный состав ДНК. Эти закономерности сформу­лированы Э. Чаргаффом:

• количество пуриновых оснований равно количеству пиримидиновых оснований;

• количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина;

• количество оснований, содержащих аминогруппу в положениях 4 пири­мидинового и 6 пуринового ядер, равно количеству оснований, содержащих в этих же положениях оксогруппу. Это означает, что сумма аденина и цитозина равна сумме гуанина и тимина.

Для РНК эти правила либо не выполняются, либо выполняются с некото­рым приближением, поскольку в РНК содержится много минорных оснований.

Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейшей функции ДНК — хранения и передачи наследственных признаков. Сохран­ность нуклеотидной последовательности является залогом безошибочной пе­редачи генетической информации. Изменение последовательности основа­ний в любой цепи ДНК приводит к устойчивым наследственным изменени­ям, а следовательно, и к изменениям в строении кодируемого белка. Такие изменения называют мутациями. Мутации могут происходить в результате за­мены какой-либо комплементарной пары оснований на другую. Причиной такой замены может служить сдвиг таутомерного равновесия.

Например, в случае гуанина сдвиг равновесия в сторону лактимной формы обусловлива­ет возможность образования водородных связей с необычным для гуанина ос­нованием — тимином и возникновение новой пары гуанин—тимин вместо традиционной пары гуанин—цитозин.

Замена «нормальных» пар оснований передается затем при «переписыва­нии» (транскрипции) генетического кода с ДНК на РНК и приводит в итоге к изменению аминокислотной последовательности в синтезируемом белке.

30. Алкалоиды: химическая классификация; основные свойства, образование солей. Представители: хинин, никотин, атропин.

Алкалоиды представляют собой большую группу природных азотсодержа­щих соединений преимущественно растительного происхождения. Природные алкалоиды служат моделями для создания новых лекарственных препаратов, часто более эффективных и в то же время более простых по структуре.

В настоящее время в зависимости от происхождения атома азота в структуре молекулы, среди алкалоидов выделяют:

1. Истинные алкалоиды – соединения, которые образуются из аминокислот и содержат атом азота в составе гетероцикла (гиосциамин, кофеин, платифиллин).

2. Протоалкалоиды – соединения, которые образуются из аминокислот и содержат алифатический атом азота в боковой цепи (эфедрин, капсаицин).

3. Псевдоалкалоиды – азотсодержащие соединения терпеновой и стероидной природы (соласодин).

В классификации алкалоидов существует два подхода. Химическая клас­сификация основана на строении углеродно-азотного скелета:

1. Производные пиридина и пиперидина (анабазин, никотин).

2. С конденсированными пирролидиновыми и пиперидиновыми кольцами (производные тропана) -атропин, кокаин, гиосциамин, скополамин.

3. Производные хинолина (хинин).

4. Производные изохинолина (морфин, кодеин, папаверин).

5. Производные индола (стрихнин, бруцин, резерпин).

6. Производные пурина (кофеин, теобромин, теофилин).

7. Производные имидазола (пилокарпин)

8. Стероидные алкалоиды (соласонин).

9. Ациклические алкалоиды и алкалоиды с экзоциклическим атомом азота (эфедрин, сферофизин, колхамин).

В основу другого вида классификации алкалоидов положен ботанический признак, согласно которому алкалоиды объединяют по растительным источ­никам.

Большинство алкалоидов обладает основными свойствами, с чем связано их название. В растениях алкалоиды содержатся в виде солей с органическими кис­лотами (лимонной, яблочной, винной, щавелевой).

Выделение из растительного сырья:

1-ый способ (экстракция в виде солей):

2-ой способ (экстракция в виде оснований):

Основные (щелочные) свойства алкалоидов выражены в различной степени. В природе чаще встречаются алкалоиды, которые относятся к третичным, реже - к вторичным либо к четвертичным аммонийным основаниям.

Благодаря основному характеру алкалоиды образуют соли с кислотами разной степени прочности. Соли алкалоидов легко разлагаются под действием едких щелочей и аммиака. При этом выделяются свободные основания.

Благодаря основному характеру, алкалоиды при взаимодействии с кислотами образуют соли. Это свойство используется при выделении и очистке алкалоидов, их количественном определении и получении препаратов.

Алкалоиды-соли хорошо растворимы в водеи этаноле (особенно в разбавленном) при нагревании, плохо или совсем не растворимы в органических растворителях (хлороформ, этиловый эфир и др.). В качестве исключения можно назвать скополамина гидробромид, гидрохлориды кокаина и некоторых опийных алкалоидов.

Алкалоиды-основания обычно не растворяются в воде, но легко растворяются в органических растворителях. Исключение составляют никотин, эфедрин, анабазин, кофеин, которые хорошо растворяются как в воде, так и в органических растворителях.

Представители.

Хинин — алкалоид, выделенный из коры хинного дерева (Cinchona oficinalis) — представляет собой бесцветные кристаллы очень горького вкуса. Хинин и его производные обладают жаропонижающим и антималярийным действием

Никотин — основной алкалоид табака и махорки. Никотин весьма ядовит, смертельная доза для человека составляет 40 мг/кг, причем при­родный левовращающий никотин в 2—3 раза токсичнее синтетического пра­вовращающего.

Атропин — рацемическая форма гиосциамина, обладает холиноблокирующим действием (спазмолитическим и мидриатическим).