Курсовая работа: Биологическая функция нуклеиновых кислот
Курсовая работа: Биологическая функция нуклеиновых кислот
Курсовая работа по биохимии растений
Тема: Биологическая функция нуклеиновых кислот
Воронеж 2011г.
Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus — ядро). По своим свойствам нуклеин резко отличался от белков: он был кислым, не содержал серы, было много фосфора. Нуклеин хорошо растворялся в щелочах, но не растворялся в разбавленных кислотах.
Впоследствии из животных, растительных объектов и микроорганизмов были выделены разные нуклеиновые кислоты. Их наилучшим источником оказались клетки, имеющие большие ядра.
Химически нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономерных звеньев — нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит три различных компонента: азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание, моносахарид пентозу (рибозу или дезоксирибозу) (Rb), остаток фосфорной кислоты (P). Как показал специфический гидролиз (кислотный, щелочной), а также гидролиз ферментами-нуклеазами, эти компоненты соединены друг с другом в такой последовательности: азотистое основание — пентоза — фосфат. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом и фосфатом другого нуклеотида.
Поскольку остаток пентозы и фосфат соединены эфирной связью, то при образовании полинуклеотидной цепи связь Rb-P-Rb называется фосфодиэфирной.
Азотистые основания не участвуют в образовании никаких других ковалентных связей, помимо связывающей их с остатками пентозы сахарофосфатной цепи. Именно последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи определяет уникальную структуру и специфическую функцию молекул нуклеиновых кислот.
Гидролиз нуклеиновых кислот, выделенных из ядер клеток, показал, что они состоят из пуриновых (аденина, гуанина) и пиримидиновых (цитозина, тимина) оснований, 2-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Эта нуклеиновая кислота была названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Из дрожжей была получена другая по химическому составу нуклеиновая кислота, содержащая вместо тимина урацил и вместо дезоксирибозы рибозу. Ее назвали рибонуклеиновой кислотой (РНК).
Биологическая функция нуклеиновых кислот оставалась неизвестной в течение почти столетия. Только в 40-х гг. XXв. О.Т . Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что эти биополимеры ответственны за хранение, репликацию (воспроизведение), транскрипцию (передачу) и трансляцию (воспроизведение на белок) генетической (наследственной) информации. В 1953г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК, биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи.
1. Обзор литературы
1.1. Структура нуклеотидов
Пуриновые основания имеют следующее строение
Сам пурин не входит в состав нуклеотидов, а входят его производные – аденин (А), или 6-аминопурин, и гуанин (G), или 2-амино-6-оксипурин.
Пиримидиновые азотистые основания имеют следующее строение
Пиримидин также не входит в состав нуклеотидов, а входят его производные — урацил (U), или 2,4-диоксипиримидин, тимин (Т), или 5-метилурацил, цитозин (С), или 2-окси-4-аминопиримидин.
В составе ДНК и РНК встречаются более редкие азотистые основания, например, 5-метилцитозин, 4-тиоурацил и дигидроурацил; они получили название минорных оснований.
В состав ДНК входят 
-D-2-дезоксирибоза, в состав РНК — 
-D-рибоза. И в том, и в другом случае эти монозы являются пентозой
(пять углеродных атомов), различия касаются лишь второго углеродного атома. В
рибозе углерод-2 связан с ОН-группой, тогда как в дезоксирибозе на месте
ОН-группы находится Н, отсюда префикс "дезокси". Буквы 
и D отражают специфическую конфигурацию при атомах С-1' и С-4'
фуранозного цикла:
Нуклеозиды — соединения, в которых пуриновые или пиримидиновые основания связаны с рибозой (рибонуклеозиды) или дезоксирибозой (дезоксирибонуклеозиды). Нуклеозиды относятся к N-гликозидам: атом С-1' рибозы или дезоксирибозы связан с N-9 пуринового или N-1 пиримидинового основания:
Аденозин 2'-дезоксиаденозин
В состав ДНК и РНК входят следующие нуклеозиды.
ДНК
Аденин + дезоксирибоза = дезоксиаденозин.
Гуанин + дезоксирибоза = дезоксигуанозин.
Цитозин + дезоксирибоза = дезоксицитидин.
Тимин + дезоксирибоза = дезокситимидин.
РНК
Аденин + рибоза = аденозин.
Гуанин + рибоза = гуанозин.
Цитозин + рибоза = цитидин.
Урацил + рибоза = уридин.
Кроме выше перечисленных главных нуклеозидов встречаются и минорные нуклеозиды, из которых наиболее распространены дигидроуридин, псевдоуридин; в последнем отсутствует обычная N-гликозидная связь: в нем атом С-1' рибозы соединен с атомом С-5 урацила.
Нуклеозиды лучше растворимы в воде, чем исходные азотистые основания. Их легко можно разделить и идентифицировать методом тонкослойной хроматографии. Они устойчивы к щелочам, но легко гидролизуются кислотами, а также ферментом нуклеозидазой.
Нуклеотиды представляют собой нуклеозиды с присоединенной эфирной связью к остатку рибозы или дезоксирибозы фосфатной группой. В образовании связи участвует 5'-углеродный атом пентозы. В зависимости от строения пентозы все нуклеотиды можно разделить на рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды:
Аденозин-5'-монофосфат 2'-Дезоксиаденозин-5'-монофосфат
В зависимости от числа остатков фосфорной кислоты нуклеотиды подразделяются на нуклеозид-5'-монофосфаты, нуклеозид-5'-дифосфаты и нуклеозид-5'-трифосфаты. В принципе нуклеозид может быть фосфорилирован до тетрафосфата.
Ниже приводятся названия и сокращенные обозначения нуклеотидов:
Названия Сокращенные обозначения
Рибонуклеотиды
Аденозинмоно-, ди-, трифосфат АМР, АDР, АТР
Гуанозинмоно-, ди-, трифосфат GМР, GDР, GТР
Цитидинмоно-, ди-, трифосфат СМР, СDР, СТР
Уридинмоно-, ди-, трифосфат UМР, UDР, UТР
Дезоксирибонуклеотиды
Дезоксоаденозинмоно-, ди-, трифосфат dАМР, dАDР, dАТР
Дезоксигуанозинмоно-, ди-, трифосфат dGМР, dGDР, dGТР
Дезоксицитидинмоно-, ди-, трифосфат dСМР, dCDР, dCТР
Дезокситимидинмоно-, ди-, трифосфат dТМР, dTDР, dTTP
Данная номенклатура нуклеотидов рассматривает их как фосфорные эфиры. В то же время благодаря наличию кислотной фосфатной группы удобно рассматривать нуклеозидмонофосфаты как кислотные производные исходных нуклеозидов, например, адениловая, уридиловая, гуанидиловая, цитидиловая кислоты.
Нуклеотиды — сильные кислоты, так как остаток фосфорной кислоты, входящей в их состав, сильно диссоциирован. При рН 7,0 свободные нуклеотиды в клетках находятся главным образом в форме
R —рибоза— 
где R—азотистое основание.
Уникальны биохимические функции нуклеотидов. В качестве основных можно отметить следующие:
1) являются строительными блоками нуклеиновых кислот (ДНК и РНК); участвуют в молекулярных механизмах, с помощью
которых генетическая информация хранится, реплицируется и транскрибируется;
2) выполняют важную роль в энергетическом (фосфорном) обмене, в аккумулировании и переносе энергии;
3) служат агонами (коферментами и активными простетическими группами) в окислительно-восстановительных ферментах;
4) играют важную роль в синтезе олиго- и полисахаридов, жиров.
Таким образом, нуклеотиды — универсальные биомолекулы, играющие фундаментальную роль в обмене веществ и энергии живой клетки.
1.2. Первичная структура полинуклеотидов
ДНК и РНК представляют собой полинуклеотиды, имеющие три уровня структуры: первичную, вторичную, третичную.
Специфичность нуклеиновых кислот определяется не только их
нуклеотидным составом, но и последовательностью отдельных нуклеотидов в цепи
нуклеиновых кислот. В состав ДНК входит всего 4 нуклеотида, но, учитывая очень
высокую молекулярную массу ДНК, нетрудно представить, что разнообразие ее типов
выражается поистине астрономическими цифрами. Например, если мы возьмем
цепочку, состоящую только из 100 нуклеотидов, то очевидно, что она может быть
построена 4
способами.
Установлено, что ДНК каждого определенного вида характеризуется только ей присущей специфичной последовательностью нуклеотидов.
Рис.1 Схематическое изображение фрагмента полинуклеотида
Полинуклеотиды состоят из нуклеотидов, соединенных фосфорноэфирными связями с участием 3'- и 5'- углеродных атомов пентозных остатков двух соседних нуклеотидов. Длинные полинуклеотидные цепи содержат тысячи, миллионы нуклеотидных остатков. Фосфатные группы в цепях обладают сильнокислыми свойствами и при рН 7,0 полностью ионизированы. Поэтому в живых клетках нуклеиновые кислоты существуют в виде полианионов. Нуклеиновые кислоты плохо растворимы в растворах кислот. Они экстрагируются из разрушенных тканей и клеток растворами нейтральных солей или фенолом.
