нуклеотиди. Що складається з нуклеотиду і що це таке Що входить до складу нуклеотиду

Лекція №19
НУКЛЕОЗИДИ. НУКЛЕОТИДИ. НУКЛЕЇНОВІ КИСЛОТИ
План

1. Нуклеїнові основи.
2. Нуклеозиди.
3. нуклеотиди.
4. Нуклеотидні коферменти.
5. Нуклеїнові кислоти.

Лекція №19

НУКЛЕОЗИДИ. НУКЛЕОТИДИ. НУКЛЕЇНОВІ
КИСЛОТИ

План

1. Нуклеїнові основи.
2. Нуклеозиди.
3. нуклеотиди.
4. Нуклеотидні коферменти.
5. Нуклеїнові кислоти.

Нуклеїнові кислоти – присутні в
клітинах всіх живих організмів біополімери, які виконують найважливіші функції
щодо зберігання та передачі генетичної інформації та беруть участь у механізмах її
реалізації у процесі синтезу клітинних білків.

Встановлення складу нуклеїнових кислот шляхом їх послідовного
гідролітичного розщеплення дозволяє виділити такі структурні
компоненти.

Розглянемо структурні компоненти нуклеїнових
кислот у порядку ускладнення їхньої будови.

1. Нуклеїнові основи.

Гетероциклічні основи, що входять до складу
нуклеїнових кислот ( нуклеїнові основи), - це гідрокси- і
амінопохідні піримідину та пурину. Нуклеїнові кислоти містять три
гетероциклічні основи з піримідиновим циклом ( піримідинові
основи) і два - з пуриновим циклом (пуринові основи). Нуклеїнові основи
мають тривіальні назви та відповідні однолітерні позначення.

У складі нуклеїнових кислот гетероциклічні
основи знаходяться у термодинамічно стабільній оксоформі.

Крім цих груп нуклеїнових основ,
званих основними, у нуклеїнових кислотах у невеликих кількостях
зустрічаються мінорніоснови: 6-оксопурин (гіпоксантин),
3-N-метилурацил, 1-N-метилгуанін та ін.

Нуклеїнові кислоти включають залишки
моносахаридів – D-рибози та 2-дезокси –D-рибози. Обидва моносахариди присутні в
нуклеїнових кислотах у b -фуранозної форми.

2. Нуклеозиди.

Нуклеозиди – це N-глікозиди, утворені нуклеїновими основами та рибозою
або дезоксирибози.

Між аномерним атомом вуглецю моносахариду та атомом азоту в положенні 1
піримідинового циклу або атомом азоту в положенні 9 пуринового циклу утворюється b -Глікозидна
зв'язок.

Залежно від природи моносахаридного залишку
нуклеозиди ділять на рибонуклеозиди(містять залишок рибози) та дезоксирибонуклеозиди(містять залишок дезоксирибози). Назви
нуклеозидів будують на основі тривіальних назв нуклеїнових основ,
додаючи закінчення -йди ндля похідних піримідину та -озіндля
похідних пурину. До назв дезоксирибонуклеозидів додають приставку дезокси-.Виняток становить нуклеозид, утворений тиміном і
дезоксирибозою, до якого приставка дезокси-не додається, оскільки
тимін утворює нуклеозиди з рибозою лише у дуже поодиноких випадках.

Для позначення нуклеозидів використовуються
однолітерні позначення, що входять до їх складу нуклеїнових основ. До
позначенням дезоксирибонуклеозидів (за винятком тимідину) додається літера
”д”.

Поряд із представленими на схемі основними
нуклеозидами у складі нуклеїнових кислот зустрічаються мінорні нуклеозиди,
що містять модифіковані нуклеїнові основи (див. вище).

У природі нуклеозиди зустрічаються також у
вільному стані, переважно у вигляді нуклеозидних антибіотиків, які
виявляють протипухлинну активність. Нуклеозиди-антибіотики мають деякі
на відміну від звичайних нуклеозидів у будові або вуглеводної частини, або
гетероциклічної основи, що дозволяє їм виступати як
антиметаболітів, чим і пояснюється їхня антибіотична активність.

Як N-глікозиди, нуклеозиди стійкі до дії
лугів, але розщеплюються під дією кислот з утворенням вільного
моносахариду та нуклеїнової основи. Пуринові нуклеозиди гідролізуються
значно легше за піримідинові.

3. Нуклеотиди

Нуклеотиди – це ефіри нуклеозидів та фосфорної
кислоти (нуклеозидфосфати). Складноефірний зв'язок з фосфорною кислотою утворює ВІН
група у положенні 5/або
3 / моносахариду. Залежно від
природи моносахаридного залишку нуклеотиди ділять на рибонуклеотиди(структурні елементи РНК) та дезоксирибонуклеотиди(структурні елементи
ДНК). Назви нуклеотидів включають назву нуклеозиду із зазначенням положення
ньому залишку фосфорної кислоти. Скорочені позначення нуклеозидів містять
позначення нуклеозиду, залишку моно-, ди- або трифосфорної кислоти, для
3 / -похідних вказується також
становище фосфатної групи.

Нуклеотиди є мономерними ланками,
яких побудовані полімерні ланцюги нуклеїнових кислот Деякі нуклеотиди
виконують роль коферментів та беруть участь в обміні речовин.

4. Нуклеотидні
коферменти

Коферменти– це органічні сполуки
небілкової природи, які необхідні для здійснення каталітичного
дії ферментів. Коферменти відносяться до різних класів органічних
з'єднань. Важливу групу коферментів становлять нуклеозидполіфосфати .

Аденозинфосфати – похідні
аденозину, що містять залишки моно-, ді-і трифосфорних кислот. Особливе місце
займають аденозин-5 / -моно-, ді-і
трифосфати - АМФ, АДФ та АТФ - макроергічніречовини, які мають
великими запасами вільної енергії рухомої формі. Молекула АТФ містить
макроергічні зв'язки Р-О, які легко розщеплюються внаслідок гідролізу.
Вільна енергія, що виділяється при цьому, забезпечує протікання пов'язаних з
гідролізом АТФ термодинамічно невигідних анаболічних процесів, наприклад,
біосинтез білка.

Кофермент А.Молекула цього
кофермент складається з трьох структурних компонентів: пантотенової кислоти,
2-аміноетантіолу та АДФ.

Кофермент А бере участь у процесах
ферментативного ацилювання, активуючи карбонові кислоти шляхом перетворення їх
в реакційні складні ефіри тіолів.

Нікотинамідаденіндінуклеотидні коферменти. Нікотинамідаденіндуклеотид (НАД +)та його фосфат ( НАДФ + ) містять у своєму складі катіон піридинію у вигляді
нікотинамідного фрагмента. Пиридинієвий катіон у складі цих коферментів
здатний оборотно приєднувати гідрид-аніон з утворенням відновленої форми
коферменту - НАДн.

Таким чином нікотинамідаденіндінуклеотидні
коферменти беруть участь в окисно-відновних процесах, пов'язаних з
перенесенням гідрид-аніону, наприклад, окиснення спиртових груп в альдегідні
(перетворення ретинолу на ретиналь), відновлювальному амінуванні кетокислот,
відновлення кетокислот у гідроксикислоти. У ході цих процесів субстрат
втрачає (окислення) або приєднує (відновлення) два атоми водню у вигляді
Н+ і Н - . Кофермент служить у своїй акцептором
(НАД + ) або донором
(НАД . Н) гідрид-іону. Всі процеси з
участю коферментів є стереоселективними. Так, при відновленні
піровиноградної кислоти утворюється виключно L-молочна кислота.

5. Нуклеїнові кислоти.

Первинна структура нуклеїнових кислот являє собою лінійний полімерний ланцюг, побудований
з мономерів – нуклеотидів, які пов'язані між собою
3 / -5 / -фосфодіефірними
зв'язками. Полінуклеотидний ланцюг має 5′-кінець і 3′-кінець. На 5′-кінці знаходиться
залишок фосфорної кислоти, а на 3′ кінці - вільна гідроксильна група.
Нуклеотидний ланцюг прийнято записувати, починаючи з 5'-кінця.

Залежно від природи моносахаридних залишків
в нуклеотиді розрізняють дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК) та рибонуклеїнові
кислоти (РНК). ДНК і РНК розрізняються також за природою, що входять до їх складу
нуклеїнових підстав: урацил входить тільки до складу РНК, тимін – тільки
склад ДНК

Вторинна структураДНК являє собою комплекс двох полінуклеотидних ланцюгів, закручених праворуч
навколо загальної осі так, що вуглевод-фосфатні ланцюги знаходяться зовні, а
нуклеїнові основи спрямовані всередину ( подвійна спіраль Уотсона-Кріка).
Крок спіралі - 3.4 нм, на 1 виток припадає 10 пар нуклеотидів. Полінуклеотидні
ланцюги антипаралельні, тобто.
навпроти 3′-кінця одного ланцюга знаходиться 5′-кінець іншого ланцюга. Два ланцюги ДНК
неоднакові за своїм складом, але вони комплементарні. Це виявляється у
тому, що напроти аденіну (А) в одному ланцюгу завжди знаходиться тимін (Т) в іншому
ланцюга, а напроти гуаніну (Г) завжди знаходиться цитозин (Ц). Комплементарне
спарювання А з Т та Г з Ц здійснюється за рахунок водневих зв'язків. Між А та Т
утворюється два водневі зв'язки, між Г та Ц – три.

Комплементарність ланцюгів ДНК складає
хімічну основу найважливішої функції ДНК – зберігання та передачі генетичної
інформації.

Типи РНК. Відомі три основні
виду клітинних РНК: транспортні РНК (тРНК), матричні РНК (мРНК) та рибосомні
РНК (РРНК). Вони розрізняються за місцем розташування в клітині, складі та розмірами,
а також функціями. РНК складаються, як правило, з одного полінуклеотидного ланцюга,
яка у просторі складається таким чином, що її окремі ділянки
стають комплементарними один одному ("злипаються") і утворюють короткі
двоспіральні ділянки молекули, тоді як інші ділянки залишаються
одноважеві.

Матричні РНКвиконують функцію матриці
білкового синтезу у рибосомах.

Рибосомні РНКвиконують роль структурних
компонентів рибосом.

Транспортні РНКберуть участь у
транспортування a -амінокислот з цитоплазми в рибосоми та в перекладі інформації нуклеотидної
послідовності мРНК у послідовність амінокислот у білках.

Механізм передачі генетичної інформації. Генетична інформація закодована в нуклеотидній послідовності
ДНК. Механізм передачі цієї інформації включає три основні етапи.

Перший етап - реплікація-Копіювання
материнської ДНК з утворенням двох дочірніх молекул ДНК, нуклеотидна
послідовність яких комплементарна послідовності материнської ДНК та
однозначно визначається нею. Реплікація здійснюється шляхом синтезу нової
молекули ДНК на материнській, яка грає роль матриці. Подвійна спіраль
материнської ДНК розкручується і на кожному з двох ланцюгів відбувається синтез нової
(Дочірній) ланцюга ДНК з урахуванням принципу комплементарності. Процес здійснюється
під дією ферменту ДНК-полімерази. Таким чином, з однієї материнської ДНК
утворюються дві дочірні, кожна з яких містить у своєму складі одну
материнський і один знову синтезований полінуклеотидний ланцюг.

Другий етап - транскрипція- процес, в
У ході якого частина генетичної інформації листується з ДНК у формі мРНК.
Матрична РНК синтезується на ділянці деспіралізованого ланцюга ДНК як на матриці
під дією ферменту РНК-полімерази. У полінуклеотидному ланцюгу мРНК
рибонуклеотиди, що несуть певні
нуклеїнові основи, що вибудовуються в послідовності, що визначається
комплементарними взаємодіями з нуклеїновими основами ланцюга ДНК При цьому аденіновомуоснови в ДНК буде відповідати урациловеоснову в РНК. Генетична інформація про синтез білка закодована в ДНК
допомогою триплетногокоду. Одна амінокислота кодується
послідовністю із трьох нуклеотидів, яку називають кодоном.
Ділянка ДНК, що кодує один поліпептидний ланцюг, називається геном.
Кожному кодону ДНК відповідає комплементарний кодон мРНК. Загалом молекула
мРНК комплементарна певній частині ланцюга ДНК - гену.

Процеси реплікації та транскрипції відбуваються в
ядрі клітини. Синтез білка здійснюється у рибосомах. Синтезована мРНК
мігрує з ядра в цитоплазму до рибосом, переносячи генетичну інформацію до
місцю синтезу білка.

Третій етап – трансляція– процес
реалізації генетичної інформації, яку несе мРНК як послідовності
нуклеотидів у послідовність амінокислот у синтезованому білку. a -Амінокислоти, необхідні для
синтезу білка транспортуються до рибосом за допомогою тРНК, з якими вони
зв'язуються шляхом ацилювання 3 / -ВІН групи на кінці ланцюга тРНК.

тРНК має антикодонову гілку, що містить
тринуклеотид - антикодон, який відповідає переносимій нею
амінокислотою. На рибосомі тРНК прикріплюються антикодоновими ділянками
відповідним кодонам мРНК. Специфіка стикування кодону та антикодону
забезпечується їхньою комплементарністю. Між зближеними амінокислотами
утворюється пептидна зв'язок. Таким чином реалізується суворо визначена
послідовність з'єднання амінокислот у білки, закодована в
гени.

Нуклеотиди-фосфорні ефіри нуклеозидів.

Їх хімічний склад: азотистий основа (А.О.) + пентоза + фосфорна кислота

Фосфорні ефіри утворюються за участю гідроксильних груп пентоз. Місця положення фосфорноефірних груп прийнято позначати, використовуючи позначення ("), наприклад: 5", 3"

Попередня коротка інформація: нуклеотиди відіграють надзвичайно важливу роль у життєдіяльності клітини.

Класифікація нуклеотидів

Нуклеотиди, що складаються з однієї молекули А.О, пентози, фосфорної кислоти,називаються мононуклеотидами.Мононуклеотиди можуть містити одну молекулу фосфорної кислоти, дві або три молекули фосфорної кислоти, з'єднаних один з одним.

Комбінація з двох мононуклеотидівприйнято називати динуклеотидом. В складі динуклеотиду зазвичай присутні різні азотисті основи або одне інше циклічне з'єднання, наприклад, вітамін.

Особливу роль біохімічних процесах грають циклічні мононуклеотиди.

Номенклатура мононуклеотидів.

До назви нуклеозидудодають виходячи з кількості фосфатних залишків, монофосфатʼʼ, «дифосфатʼʼ, «трифосфат«, із зазначенням їх місця розташування в циклі пентози-цифрове позначення місця зі значком (") ,

Положення фосфатної групи у положенні (5") є найбільш поширеним і типовим, у зв'язку з цим його можна не вказувати (АМФ, ГТФ, УТФ, дАМФ і т.д.)

Інші положення позначаються обов'язково (3"- АМФ, 2"- АМФ, 3"- дАМФ)

5"-аденозинмонофосфат

(5" - АМФ або АМФ)

Назви найпоширеніших нуклеотидів

нуклеозид	нуклеозидмонофосфат	нуклеозиддіфосфат	нуклеозидтрифосфат
аденозин	5"-Аденозинмонофосфат (5"- АМФ або АМФ) 5"-аденілова кислота	5"-Аденозиндифосфат (5"-АДФ або АДФ)	5"-Аденозінтріфосфат (5"-АТФ або АТФ)
аденозин	3"-аденозинмонофосфат (3"-АМФ) 3"-аденілова кислота	не зустрічається in vivo	не зустрічається in vivo
гуанозин	5"-гуанозинмонофосфат (5"-ГМФ або ГМФ)	5"-гуанозиндифосфат (5"-ГДФ або ГДФ)	5"-гуанозинтрифосфат (5"-ГТФ або ГТФ)
гуанозин	3"-гуанозинмонофосфат (3"-ГМФ) 3"-гуанілова кислота	не зустрічається in vivo	не зустрічається in vivo
дезокси аденозин	5"-дезоксіаденозин монофосфат (5"- дАМФ або дАМФ)	5"-дезоксіаденозин дифосфат (5"- дАДФілі дАДФ)	5"-дезоксіаденозин трифосфат (5"- дАТФілі дАТФ)
урідін	5"-урідінмонофосфат (5"- УМФ або УМФ)	5"-урідіндифосфат (5"- УДФ або УДФ)	5"-урідінтріфосфат (5"- УТФ або УТФ)
цитидин	5"-цитидинмонофосфат (5"-ЦМФ або ЦМФ)	5"-цитидиндифосфат (5"-ЦДФ або ЦДФ)	5"-цитидинтрифосфат (5"-ЦТФ або ЦТФ)

Нуклеотиди, утворені за участю рибози, можуть містити залишки фосфорної кислоти у трьох положеннях (5", 3", 2"), а за участю дезоксирибози – тільки у двох положеннях (5", 3"), у положенні 2" гідроксигрупа відсутня. Ця обставина дуже важлива для структури ДНК.

Відсутність гідроксигрупи у другому положенні має два важливі наслідки:

Зменшується поляризація глікозидного зв'язку в ДНК і вона стає стійкішою до гідролізу.

2-О-дезоксирибоза не може піддаватися ні епімеризації, ні перетворенню на кетозу.

У клітині відбувається послідовне перетворення нуклеозидмонофосфату на дифосфат, а потім на трифосфат.

Наприклад: АМФ ---> АДФ ---> АТФ

Біологічна роль нуклеотидів

Усе нуклеозиддіфосфатиі нуклеозидтрифосфативідносяться до високоенергетичних (макроергічних) з'єднань.

Нуклеозидтрифосфатиберуть участь у синтезі нуклеїнових кислот, забезпечують активацію біоорганічних сполук та біохімічні процеси, що проходять із витратою енергії. Аденозинтрифосфат (АТФ) є найпоширенішим в людини макроергічним з'єднанням. Зміст АТФ в скелетних м'язах ссавців до 4г/кг, загальний вміст близько 125 год. У людини швидкість обміну АТФ сягає 50 кг/добу. При гідролізі АТФ утворюється аденозиндіфосфат(АДФ)

Макроергічні зв'язки

У складі АТФ присутні різні типи хімічних зв'язків:

N-β-глікозидна

Складноефірна

Дві ангідридні (в біологічному відношенні макроергічні)

В умовах in vivoгідроліз макроергічного зв'язку АТФ супроводжується виділенням енергії (близько 35 кДж/моль), яка забезпечує інші енергозалежні біохімічні процеси.

АТФ + Н2О -фермент АТФгідролаза--> АДФ + Н3 РО4

У водних розчинах АДФ та АТФнестійкі . При 0 0 САТФ стабільна у воді всього кілька годин, а при кип'ятінні протягом 10 хв.

Під дією лугу два кінцеві фосфати (ангідридні зв'язки) гідролізуються легко, а останній (складноефірний зв'язок) - важко. При кислотному гідролізі N-глікозидний зв'язок легко руйнується.

Вперше АТФ виділено з м'язів у 1929 р. К. Ломаном. Хімічний синтез здійснив у 1948 року. А. Тодд.

Циклічні нуклеотиди є посередниками передачі сигналів гормонів, змінюючи у клітині активність ферментів.

Вони утворюються з нуклеозидтрифосфатів.

АТФ -фермент циклазу--> цАМФ + Н4 Р2 О7

Після виконання дії відбувається гідроліз циклічного нуклеотиду. . Можуть утворитися два з'єднання 5"- АМФ і 3"-АМФ, але в біологічних умовах утворюється тільки 5"-АМФ,

Циклічний аденозинмонофосфат (цАМФ)

11.5. Будова нуклеїнових кислот

Первинна структура РНК і ДНК – послідовне з'єднання нуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі. Скелет полінуклеотидного ланцюга складається з вуглеводних і фосфатних залишків, з вуглеводами за допомогою N-β - глікозидного зв'язку з'єднані гетероциклічні азотисті основи. З біологічної точки зору найважливіше значення мають триплети-блоки нуклеотидів з трьох азотистих основ, кожен з яких кодує якусь амінокислоту або має певну сигнальну функцію.

Структуру ПК можна представити схематично:

5" 3" 5" 3" 5" 3"

фосфат -- пентоза -- фосфат -- пентоза -- фосфат -- пентоза -ОН

У первинній структурі ДНК початокланцюги визначають по пентозі, що містить фосфат у положенні 5". Пентози полінуклеотидного ланцюга з'єднуються за допомогою фосфатних зв'язків 3 "→ 5". На кінціланцюга в положенні 3"- пентози ОН-група залишається вільною.

Структура ДНК вищого порядку-подвійна спіраль

Науковий опис вторинної структури ДНК відноситься до найбільших відкриттів людства у ХХ столітті. Біохімік Д. Вотсон та фізик Ф. Крик 1953 року запропонували модель структури ДНК та механізм процесу реплікації. У 1962 р. їм присуджено Нобелівську премію.

У популярному вигляді історія описана в книзі Джеймса Вотсона «Подвійна спіраль», М: Мир, 1973 . Книга дуже цікаво описує історію спільної роботи, з гумором і легкою іронією автора до такої знаменної події, щасливими «винуватцями» якої були два молоді вчені. З моменту відкриття структури ДНК людство отримало інструмент до розвитку нового напряму-біотехнологій, синтезу білків шляхом рекомбінації генів (гормони в медичній промисловості отримують інсулін, еритропоетин та багато інших).

Відкриття структури ДНК сприяли дослідження Е.Чаргаффа щодо хімічного складу ДНК. Він виявив:

Кількість піримідинових основ дорівнює кількості пуринових

Кількість тиміну дорівнює кількості аденіну, а кількість цитозину кількості

А = Т Г = Ц

А+Г=Т+Ц

А+Ц=Т+Г

Ці відносини отримали назву правила Чаргафа .

Молекула ДНК є дві перекручені спіралі. Скельє кожної спіралі-ланцюжок з залишків дезоксирибози і фосфорної кислоти, що чергуються. Спіралі орієнтовані таким чином, що утворюють два неоднакові спіральні жолобки, які йдуть паралельно головній осі. Ці жолобки заповнені білками гістонами.Азотисті основи розташовуються всередині спіралі, майже перпендикулярно до основної осі і утворюють між ланцюжками комплементарні пари А…Т та Г…Ц.

Сумарна довжина молекул ДНК у кожній клітині досягає 3 см. Діаметр клітини в середньому 10 -5 м, діаметр ДНК всього 2 ‣‣‣10 -9 м.

Основні параметри подвійної спіралі:

* Діаметр 1,8 - 2нм,

* на одному витку 10 нуклеотидів

* Висота кроку витка ~ 3,4 нм

* Відстань між двома нуклеотидами 0,34 нм.

Підстави розташовуються перпендикулярно до осі ланцюга.

* Напрямки полінуклеотидних ланцюгів антипаралельне

* зв'язок між фуранозними циклами дезоксирибози за допомогою

фосфорної кислоти здійснюється з положення 3` до положення 5`

кожного з ланцюгів.

* Початок ланцюга – фосфорильована гідроксильна група пентози у положенні

5`, кінець ланцюга – вільна гідроксильна група пентози у положенні 3`.

* У складі ДНК і РНК нуклеозидні фрагменти знаходяться в антиконформації піримідиновий цикл пурину знаходиться праворуч від глікозидного зв'язку. Тільки таке становище дозволяє утворити комплементарну пару (див. формули нуклеотидів)

* Між азотистими основами виникають три види взаємодій:

1. "Поперечне", беруть участь комплементарні пари двох ланцюгів. Виникає «циклічний» перенесення електронів між двома азотистими основами (Т – А, У – Ц), утворюється додаткова p - електронна система, яка забезпечує додаткову взаємодію та захищає азотисті основи від небажаних хімічних впливів. між аденіном і тиміном встановлюється два водневі зв'язки, а між гуаніном та цитозином – три водневі зв'язки.

2. «Вертикальне» (stacking), за рахунок укладання в “стопки”, беруть участь азотисті основи одного ланцюга. «Стекінг- взаємодія» має навіть більшезначення у стабілізації структури, ніж взаємодія у комплементарних парах

3. Взаємодія з водою відіграє істотну роль у підтримці просторової будови подвійної спіралі, яка приймає максимально компактну структуру для зменшення поверхні контакту з водою та спрямовує гідрофобні гетероциклічні основи усередину спіралі.

Структура та склад нуклеопротеїдних комплексів

У зв'язуванні нуклеїнової кислоти з білком беруть участь кілька видів взаємодії:

Електростатичний

Водневі зв'язки

Гідрофобне

За результатами рентгеноструктурного аналізу шляхом комп'ютерного моделювання побудовано реальні тривимірні моделі ДНК, рибосом, інформосом та нуклеїнових кислот вірусів.

Гістонові білки ДНК мають виражені основні властивості і відрізняються високим ступенем еволюційної консервативності. За співвідношенням двох базових амінокислот лізин/аргінін їх поділяють на 5 класів: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4

Нуклеотиди - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "Нуклеотиди" 2017, 2018.

Все живе планети складається з численних клітин. Вони підтримують упорядкованість своєї організації за допомогою генетичної інформації, що міститься в ядрі, що зберігається, передається та реалізується високомолекулярними складними сполуками- Нуклеїновими кислотами. Кислоти ці, своєю чергою, складаються з мономерних ланок – нуклеотидів.

Вконтакте

Роль нуклеїнових кислот переоцінити неможливо. Нормальна життєдіяльність організму визначається стабільністю їхньої структури. Якщо будову відбуваються будь-які відхилення, змінюється кількість чи послідовність — це обов'язково призводить до змін у клітинної організації. Змінюється активність фізіологічних процесів та життєдіяльність клітин.

Поняття нуклеотиду

Як і білки нуклеїнові кислоти необхідні для життя. Це генетичний матеріал для всіх живих організмів, включаючи віруси.

З'ясування структури однієї з двох типів нуклеїнових кислот ДНК дозволило зрозуміти, як у живих організмах зберігається інформація, необхідна регулювання життєдіяльності як і передається потомству. Нуклеотид є мономерною одиницею, що утворює сполуки складніші — нуклеїнові кислоти. Без них неможливе зберігання, відтворення та передача генетичної інформації Вільні нуклеотиди – головні компоненти, які беруть участь в енергетичних та сигнальних процесах. Вони підтримують нормальну життєдіяльність окремих клітин та організму загалом. З них будуються довгі молекули — полінуклеотиди. Щоб розібратися зі структурою полінуклеотиду, слід зрозуміти будову нуклеотидів.

Що таке нуклеотид? Молекули ДНК зібрані із дрібних мономерних сполук. Іншими словами, нуклеотид — це органічна складна сполука, що є складовою частиною нуклеїнових кислот та інших біологічних сполук, необхідних для життєдіяльності клітини.

Склад та основні властивості нуклеотидів

До складу молекули нуклеотиду (мононуклеотиду) у певній послідовності входять три хімічні сполуки:

1. Пентоза або п'ятикутний цукор:

• дезоксирибозу. Ці нуклеотиди називають дезоксирибонуклеотидами. Вони входять до складу ДНК;
• рибоза. Нуклеотиди входять до складу РНК і називаються рибонуклеотидами.

2. Азотиста піримідінова або пуринова основа, пов'язана з вуглецевим атомом цукру. Це з'єднання називають нуклеозидом

3. Фосфатна група, що складається із залишків фосфорної кислоти (у кількості від одного до трьох). Приєднується до вуглецю цукру ефірними зв'язками, що утворюють молекулу нуклеотиду.

Властивістю нуклеотидів є:

• участь у метаболізмі та інших фізіологічних процесах, що протікають у клітині;
• здійснення контролю за репродукцією та зростанням;
• зберігання інформації про успадковані ознаки та про структуру білка.

Нуклеїнові кислоти

Цукор у нуклеїнових кислотах представлений пентозою. У РНК п'ятивуглецевий цукор називається рибозою, ДНК - дезоксирибозою. У кожній молекулі пентоз п'ять атомів вуглецю, з яких чотири утворюють кільце з атомом кисню, а п'ятий атом входить до групи НО-СН2.

У молекулі становище атома вуглецюпозначається цифрою зі штрихом (наприклад:1C', 3C', 5C'). Так як у всіх процесів зчитування з молекули нуклеїнової кислоти спадкової інформації є строга спрямованість, нумерація вуглецевих атомів та їх розташування є покажчиком правильного напрямку.

З першим вуглецевим атомом 1C 'у молекулі цукру з'єднується азотна основа.

До третього і п'ятого вуглецевих атомів гідроксильної групи (3C', 5C') приєднується залишок фосфорної кислоти, який визначає хімічну приналежність до групи кислот ДНК і РНК.

Склад азотистих основ

Види нуклеотидів з азотистої основи ДНК:

Перші два класи - пурини:

• аденін (А);
• гуанін (Г).

Два останні відносяться до класу піримідинів:

• тимін (Т);
• цитозин (Ц).

Пуринові сполуки по молекулярній масі важчі за піримідинові.

Нуклеотиди РНК з азотистої сполуки представлені:

• гуаніном;
• аденіном;
• урацитолом;
• цитозином.

Так само, як тімін, урацил є піримідиновою основою. Нерідко у науковій літературі азотисті основи позначаються латинськими літерами (A, T, C, G, U).

Піримидини, а саме тимін, цитозин, урацил представлені шестичленним кільцем, що складається з двох атомів азоту та чотирьох атомів вуглецю, послідовно пронумерованих, від 1 до 6.

Пурини (гуанін та аднін) складаються з імідазолу та піримідину. У молекулах пуринових основ чотири атоми азоту та п'ять атомів вуглецю. Кожен атом має свій номер від 1 дот 9.

Результатом сполук азотистих залишків із залишками пентози є нуклеозид. Нуклеотид – це сполука фосфатної групи з нуклеозидом.

Утворення фосфодіефірних зв'язків

Слід розібратися у питанні про те, як нуклеотиди з'єднуються в поліпептидний ланцюг, скільки їх бере участь у процесі, утворюючи молекулу нуклеїнової кислоти за рахунок фосфодіефірних зв'язків.

При взаємодії двох нуклеотидів утворюється динуклеотид. Нове з'єднання утворюється шляхом конденсації, коли виникає фосфодіефірний зв'язокміж гідроксигрупою пентози одного мономеру та фосфатним залишком іншого.

Синтез полінуклеотиду є численне повторення цієї реакції. Складання полінуклеотидів представляє складний процес, що забезпечує зростання ланцюга з одного кінця.

Молекули ДНК, як і молекули білка, мають первинну, вторинну структури та третинну. Первинну структуру ланцюга ДНК визначає послідовність нуклеотидів. У основі вторинної структури лежить формування водневих зв'язків. При синтез подвійної спіралі ДНКє певна закономірність і послідовність: тимін одного ланцюга відповідає аденіну інший; цитозин – гуаніну, і навпаки. З'єднання нуклеїдів створюють міцний зв'язок ланцюгів, з рівною між ними відстанню.

Знаючи послідовність нуклеотидів одного ланцюга ДНК можна за принципом доповненняабо комплементарність добудувати другу.

Третинна структура ДНК утворюється шляхом складних тривимірних сполук. Це робить молекулу компактнішою, щоб вона могла вільно розміститися в невеликому обсязі клітини. довжина кишкової палички ДНК більше 1 мм, тоді як довжина самої клітини менше 5 мкм.

Кількість піримідинових основ дорівнює завжди числу пуринових. Відстань між нуклеотидами дорівнює 0,34 нм. Це стала величина, як і молекулярна маса.

Функції та властивості ДНК

Основні функції ДНК:

• зберігає спадкову інформацію;
• передача (подвоєння/реплікація);
• транскрипція, реалізація;
• ауторепродукція ДНК. Функціонування реплікону.

Процес самовідтворення молекули нуклеїнової кислоти супроводжується передачею від клітини до клітини копій генетичної інформації. Для його здійснення потрібні набір специфічних ферментів. У цьому вся процесі напівконсервативного типу утворюється реплікативна вилка.

Реплікон є одиницю реплікаційного процесу ділянки геному, підконтрольного одній точці ініціації реплікації. Як правило, геном прокаріотів - це реплікон. Реплікація від точки ініціації йде в обидві сторони, іноді із різною швидкістю.

Молекула РНК – структура

РНК є одним полінуклеотидним ланцюжком, який утворюється через ковалентні зв'язки між фосфатним залишком та пентозою. Вона коротша за ДНК, має іншу послідовність і відрізняється за видовим складом азотистих сполук. Піримидінова основа тиміну в РНКзамінюється урацилом.

РНК може бути трьох видів, залежно від тих функцій, що виконуються в організмі:

• інформаційна (іРНК) - дуже різноманітна за нуклеотидним складом. Вона є свого роду матрицею для синтезу білкової молекули, що переносить генетичну інформацію до рибосом від ДНК;
• транспортна (тРНК) у середньому складається із 75-95 нуклеотидів. Вона переносить необхідну амінокислоту у рибосомі до місця синтезу поліпептиду. У кожного виду тРНК є своя, властива тільки йому послідовність нуклеотидів або мономерів;
• рибосомальна (рРНК) зазвичай одержить від 3000 до 5000 нуклеотидів. Рибосом є необхідним структурним компонентом що бере участь у найважливішому процесі, що відбувається в клітині - біосинтезі білка.

Роль нуклеотиду в організмі

У клітині нуклеотиди виконують важливі функції:

• є біорегуляторами;
• використовуються як структурні блоки для нуклеїнових кислот;
• входять до складу головного джерела енергії у клітині - АТФ;
• беруть участь у численних обмінних процесах у клітинах;
• є переносниками відновлювальних еквівалентів у клітинах (ФАД, НАДФ+; НАД+; ФМН);
• можуть розглядатися як вісники регулярного позаклітинного синтезу (цГМФ, цАМФ).

Вільні нуклеотиди – головні компоненти, які беруть участь в енергетичних та сигнальних процесах. Вони підтримують нормальну життєдіяльність окремих клітин та організму загалом.

Навчальний посібник призначений для студентів напряму «Біологія» всіх профілів підготовки, всіх форм навчання для теоретичної підготовки до занять, заліків та іспитів. Посібник охоплює основні розділи структурної біохімії: будову, фізико-хімічні властивості та функції основних класів біологічних макромолекул. Велику увагу приділено низці прикладних аспектів біохімії.

Нуклеотиди та нуклеїнові кислоти

Структура нуклеотидів та азотистих основ

Нуклеотиди беруть участь у багатьох біохімічних процесах, а також є мономерами нуклеїнових кислот. Нуклеїнові кислоти забезпечують усі генетичні процеси. Кожен нуклеотид складається із трьох типів хімічних молекул:

Азотна основа;

Моносахарид;

1-3 залишки фосфорної кислоти.

На відміну від моносахаридів, нуклеотиди як мономери є складно влаштованими молекулами, що складаються із структур, що належать до різних класів хімічних речовин, тому необхідно розглянути властивості та структуру цих компонентів окремо.

Азотисті основи

Азотисті основи відносяться до гетероциклічних сполук. До складу гетероциклу, крім атомів вуглецю, входять атоми азоту. Всі азотисті основи, що входять до нуклеотидів, відносять до двох класів азотистих основ: пуринові та піримідинові. Пуринові основи - це похідні пурину - гетероциклу, що складається з двох циклів, один п'ятичленний, другий - шести, нумерація здійснюється так, як показано на малюнку. Піримідинові основи є похідними піримідину і складаються з одного шестичленного циклу, нумерація також вказана на малюнку (Малюнок 31). Головні піримідинові основи і у прокаріотів, і у еукаріотів – це цитозин, тиміні урацил.З пуринових основ найчастіше зустрічаються аденіні гуанін.Два інші - Ксантіні гіпоксантин– є інтермедіатами у процесах їхнього метаболізму. У людини в ролі кінцевого продукту катаболізму пуринів виступає окислена пуринова основа - сечова кислота. Крім п'яти названих вище головних основ відомі менш широко представлені мінорні основи. Деякі з них присутні тільки в нуклеїнових кислотах бактерій і вірусів, але багато знайдено у складі про- і еукаріотичних ДНК і транспортних і рибосомних РНК. Так, і бактеріальна ДНК, і ДНК людини містять значну кількість 5-метилцитозину; у бактеріофагах виявлено 5-гідроксиметилцитозин. Незвичайні основи виявлені в матричній РНК – N 6 -метиладенін, N 6 , N 6 -диметиладенін та N 7 -Meтилгуанін. У бактерій також виявлений модифікований урацил з приєднаною N 3 -положенню (α-аміно, α-карбокси) -пропильной групою. Функції цих заміщених пуринів та піримідинів до кінця не з'ясовані, однак вони можуть утворювати неканонічні зв'язки між основами (це буде розглянуто нижче), забезпечуючи утворення вторинних та третинних структур нуклеїнових кислот.

31. Структура азотистих основ

У клітинах рослин виявлено серію пуринових основ із метильними замісниками. Багато хто з них фармакологічно активні. Як приклад можна навести кавові зерна, що містять кофеїн (1,3, 7-триметилксантин), чайний лист, що містить теофілін (1, 3-диметил-ксантин), і какао-боби, до складу яких входить теобромін (3, 7- диметилксантин).

ізомерія та Фізико-хімічні властивості пуринових та піримідинових основ

Молекула азотистої основи утворює систему одинарних і подвійних зв'язків, що чергуються (систему сполучених подвійних зв'язків). Така організація утворює жорстку молекулу без можливості конформаційних переходів. В результаті не можна говорити про зміну конформації азотистих основ.

Для азотистих основ виявлено лише один тип ізомерії кето-єнольний перехід або таутомерія.

Таутомерія

Завдяки феномену кето-енольної таутомерії нуклеотиди можуть існувати або у лактимній, або у лактамній формах, причому у фізіологічних умовах лактамна форма переважає у гуаніну та тиміну (Малюнок 32). Важливість цієї обставини стане зрозумілою при обговоренні процесів спарювання підстав.

Рисунок 32. Таутомерія нуклеотидів

Розчинність

При нейтральному рН найменшу розчинність має гуанін. Наступним у цьому ряду стоїть ксантин. Сечова кислота у формі уратів порівняно непогано розчиняється при нейтральному рН, але дуже погано розчинна в рідинах з нижчими значеннями рН, таких як сеча. Гуанін у сечі людини в нормі відсутня, а ксантин та сечова кислота є її звичайними компонентами. Останні два пурини часто входять до складу каменів сечового тракту.

Поглинання світла

За рахунок системи пов'язаних подвійних зв'язків всі азотисті основи поглинають в ультрафіолетовій частині спектра. Спектр поглинання – графік розподілу оптичної густини залежно від довжини хвилі. Для кожної азотистої основи свій спектр поглинання, по ньому можна розрізнити розчини різних азотистих основ або сполук до складу яких входить азотна основа (нуклеотиди), але максимум поглинання у всіх збігається при довжині хвилі 260 нм. Це дозволяє легко і швидко визначати концентрацію азотистих основ, так нуклеотидів і нуклеїнових кислот. Спектр поглинання також залежить від рН розчину (Малюнок 33).

Рисунок 33. Спектри поглинання різних азотистих основ

Функції азотистих основ

Азотисті основи практично не зустрічаються у вільному стані. Виняток становлять деякі алкалоїди та сечова кислота.

Азотисті основи виконують такі функції:

Входять до складу нуклеотидів;

Частина алкалоїдів – азотисті основи, наприклад, кофеїн у каві або теофелін у чаї;

Проміжні продукти обміну азотистих основ та нуклеотидів;

Сечова кислота – причина сечокам'яної хвороби;

У вигляді сечової кислоти виводиться азот у деяких організмів.

Нуклеотиди та нуклеозиди

Молекули нуклеозидів побудовані з пуринової або піримідинової основи, до якої (β-зв'язком приєднаний вуглевод (звичайно D-рибоза або 2-дезоксирибоза) в положенні відповідно. Таким чином, аденіновий рибонуклеозид (аденозин)складається з аденіну та D-рибози, приєднаної в положенні N 9 ; гуанозин- з гуаніну та D-рибози в положенні N 9; цитидин– з цитозину та рибози у положенні N 1 ; урідін– з урацилу та рибози у положенні N 1 . Таким чином, у пуринових нуклеозидах (нуклеотидах) азотиста основа і цукор пов'язані 1-9 β глікозидним зв'язком, а в піримідинах – 1-1 β глікозидним зв'язком.

До складу 2-дезоксирибонуклеозидів входять пуринові або піримідинові основи і 2-дезоксирибоза, приєднана за тими ж атомами N 1 і N 9 . Приєднання рибози або 2-дезоксирибози до кільцевої структури основи відбувається за рахунок щодо кислотолобного N-глікозидного зв'язку (Малюнок 34).

Нуклеотиди – це похідні нуклеозидів, фосфорильовані по одній або більше гідроксильних груп залишку рибози (або дезоксирибози). Так, аденозинмонофосфат (AMФ або аденілат) побудований з аденіну, рибози та фосфату. 2-дезоксиаденозинмонофосфат (дAMФ або дезоксиаденилат) являє собою молекулу, що складається з аденіну, 2-дезоксирибози та фосфату. Зазвичай до урацилу приєднана рибоза, до тіміну - 2-дезоксирибозу. Тому тимідилова кислота (ТМФ) складається з тиміну, 2-дезоксирибози та фосфату. Крім перерахованих вище форм нуклеотидів виявлено і нуклеотиди незвичайної структури. Так, у молекулі тРНК виявлено нуклеотид, в якому рибоза приєднується до урацилу в п'ятому положенні, тобто не азот-вуглецевий зв'язок, а вуглець-вуглецевий. Продукт цього незвичайного приєднання названий псевдоурідіном (ψ). Молекули тРНК містять і іншу незвичайну нуклеотидну структуру – тімін, поєднаний із рибозомонофосфатом. Цей нуклеотид утворюється після синтезу молекули тРНК шляхом метилювання залишку УМФ S-аденозилметіоніном. Псевдоуридилова кислота (ψМФ) також утворюється в результаті перегрупування УMФ після синтезу тРНК.

Рисунок 34. Структура пуринових та піримідинових нуклеозидів та нуклеотидів

Номенклатура, фізико-хімічні властивості та функції нуклеозидів та нуклеотидів

Положення фосфатної групи у молекулі нуклеотиду вказується цифрою. Наприклад, аденозин з фосфатною групою, приєднаною до 3-го вуглецю рибози, повинен бути позначений як 3-монофосфат. Штрих після цифри ставлять для того, щоб відрізнити номер вуглецю в пуриновому або піримідиновому підставі від цього атома в залишку дезоксирибози. За нумерації атомів вуглецю основи штрих не ставиться. Нуклеотид 2-дезоксіаденозин з фосфатним залишком при вуглеці-5 молекули цукру позначається як 2-дезоксіаденозин-5-монофосфат. Нуклеозиди, що містять аденін, гуанін, цитозин, тимін та урацил, прийнято позначати літерами A, Г, Ц, Т та У відповідно. Наявність літери d (або д) перед скороченням означає, що вуглеводним компонентом нуклеозиду є 2-дезоксирибоза. Гуанозин, що містить 2-дезоксирибозу, може бути позначений дГ (дезоксигуанозин), а відповідний монофосфат з фосфатною групою, приєднаної до третього атома вуглецю дезоксирибози, - дГ-3-МФ. Як правило, у випадках, коли фосфат приєднаний до вуглецю-5 рибози або дезоксирибози, символ 5 опускається. Так, гуанозин 5-монофосфат прийнято позначати ГМФ, а 5-монофосфат 2-дезоксигуанозину скорочують як дГМФ. Якщо до вуглеводного залишку нуклеозиду приєднані 2 або 3 залишки фосфорної кислоти, використовуються абревіатури ДФ (дифосфат) та ТФ (трифосфат). Таким чином, аденозин + трифосфат з трьома фосфатними групами в 5-положенні вуглеводу позначатиметься АТФ. Оскільки в молекулах нуклеотидів фосфати знаходяться у вигляді ангідридів фосфорної кислоти, тобто в стані з низькою ентропією, їх називають макроергами (що мають великий запас потенційної енергії). При гідролізі 1 моля АТФ до AДФ вивільняється 7,3 кКал потенційної енергії.

Рисунок 35. Структура цАМФ

Фізико-хімічні властивості нуклеотидів

Так як до складу нуклеотидів входять азотисті основи, то такі властивості, як таутомерія і здатність поглинати в ультрафіолетовій частині спектра, також характерні і для нуклеотидів, причому спектри поглинання азотистих основ і містять ці основи нуклеотидів подібні. Наявність цукру та залишків фосфорної кислоти робить їх більш гідрофільними ніж азотисті основи. Усі нуклеотиди є кислотами, оскільки містять залишки фосфорної кислоти.

Функції природних нуклеотидів

Нуклеотиди є мономерами нуклеїнових кислот (РНК, ДНК). До складу ДНК входять дезоксирибонуклеотидфосфати – похідні аденіну, тиміну, гуаніну та цитозину. Також деякі молекули гуаніну та цитозину у складі ДНК метильовані, тобто містять метильну групу. Як основні мономери до складу РНК входять рибонуклеотидфосфати – похідні аденіну, урацилу, гуаніну та цитозину. Також до складу РНК входять нуклеотиди, що містять різні мінорні азотисті основи, наприклад, ксантин, гіпоксантин, дигідроурідін та ін.

Нуклеотиди є мономерами коферментів (НАД, НАДФ, ФАД, коензим А, метіонін-аденозин). У складі коферементів вони беруть участь у ферментативних реакціях. Докладніше ця функція буде розглянута нижче.

Енергетична (АТФ). АТФ виконує функцію основного внутрішньоклітинного переносника вільної енергії. Концентрація найбільш поширеного вільного нуклеотиду у клітинах ссавців – АТФ – становить близько 1 ммоль/л.

Сигнальна (цГМФ, цАМФ)(Малюнок 35). Циклічний AMФ (3-, 5-аденозинмонофосфат, цАМФ) – медіатор різних позаклітинних сигналів у клітинах тварин – утворюється з АТФ внаслідок реакції, що каталізується аденілатциклазою. Активність аденілатциклази регулюється комплексом взаємодій, багато з яких ініціюються через рецептори гормонів. Внутрішньоклітинна концентрація цАМФ (близько 1 мкмоль/л) на 3 порядки нижче концентрації АТФ. Циклічний цГМФ (3-, 5-гуанозинмонофосфат, цГМФ) служить внутрішньоклітинним провідником позаклітинних сигналів. У деяких випадках цГМФ виступає у ролі антагоніста цАМФ. цГМФ утворюється з ГТФ під дією гуанілатциклази - ферменту, що має багато спільного з аденілатциклазою. Гуанілатциклаза, як і аденілатциклаза, регулюється різними ефекторами, у тому числі гормонами. Як і цАМФ, цГМФ гідролізується фосфодіестеразою до відповідного 5-монофосфату.

Регуляторна (ГТФ). Активність групи білків (G-білків), що виконують переважно регуляторну функцію, залежить від того, який нуклеотид вони пов'язують. У неактивній формі ці білки пов'язують ГДФ, за активації білка відбувається заміна ГДФ на ГТФ. При виконанні своєї функції білок гідролізує ГТФ до ГДФ і фосфату, енергія, що виділилася, витрачається на функціонування білка.

Активація при метаболізмі ліпідів та моносахаридів (УТФ, СТФ). Похідні урацилових нуклеотидів беруть участь як активуючі агенти в реакціях метаболізму гексоз і полімеризації вуглеводів, зокрема при біосинтезі крохмалю та олігосахаридних фрагментів глікопротеїнів та протеогліканів. Субстратами цих реакціях є уридин-дифосфатсахара. Наприклад, урідіндифосфатглюкоза є попередником глікогену. Також перетворення глюкози на галактозу, глюкуронову кислоту або інші похідні моносахаридів відбувається у вигляді коньюгату з УДФ. СТР необхідний для біосинтезу деяких фосфогліцеридів у тканинах тварин. Реакції за участю цераміду та ЦДФ-холіну призводять до утворення сфінгомієліну та інших заміщених сфінгозинів.

Участь у дезактивації різних спиртів та фенолів(УДФ-глюкуронова кислота). Уридиндифосфатглюкуронова кислота виконує функцію «активного» глюкуроніду в реакціях кон'югування, наприклад, при утворенні глюкуроніду білірубіну.

Нуклеотиди у складі коферментів

Коферменти – це низькомолекулярні сполуки пов'язані з ферментами (див розділ «Ферменти») які безпосередньо беруть участь у біохімічної реакції, тобто це ще один субстрат, який не виходить у навколишнє середовище.

Коферменти поділяють на дві групи:

переносники протонів та електронів, ці коферменти беруть участь в окисно-відновних реакціях;

переносники решти груп крім протонів і електронів, ці коферменти беруть участь у трансферазних реакціях.

Докладніше механізми згаданих реакцій можна розглянути у розділі «Ферменти».

Деякі коферменти містять у своєму складі нуклеотиди. Вони також поділяються на ці дві групи.

Коферменти переносники протонів та електронів

Ці коферменти беруть участь в окисно-відновних реакціях, де аденозин виконує лише структурну функцію, в реакцію вступають нуклеотиди, що містять інші типи основ, виділяють два типи таких коферментів: нікотинові та флавінові. Вони відрізняються не тільки за активним угрупуванням, але й за типом реакцій, які вони здійснюють.

Нікотинові коферменти

Рисунок 36. Нікотинові коферменти. А-структура NAD, Б-структура NADP, В-механізм активності нікотинової кислоти, Г-механізм роботи нікотинових коферментів

Нікотинамідаденіндінуклеотид (NAD +) - головний акцептор електронів при окисненні паливних молекул. Реакційна частина NAD + - його нікотинамідне кільце. При окисленні субстрату нікотинамідне кільце NAD+ приєднує іон водню та два електрони, які є еквівалентами гідрид-іону. Відновлена ​​форма переносника – NADH. У ході цього дегідрування один атом водню субстрату прямо переноситься на NAD + тоді як другий переходить в розчинник. Обидва електрони, що втрачаються субстратом, переносяться на нікотинамідне кільце. Роль донора електронів у більшості процесів відновлювального біосинтезу (пластичного обміну); виконує відновлена ​​форма нікотин амідаденіндінуклеотидфосфату (NADPH). NADPH відрізняється від NAD наявністю фосфату, пов'язаного ефірним зв'язком з 2-гідроксильною групою аденозину. Окислена форма NADPH позначається як NADP+. NADPH переносить електрони так само, як NADH. Однак NADPH використовується майже виключно в процесах відновлювального біосинтезу, тоді як NADH використовується переважно для генерування АТР. Додаткова фосфатна група NADPH – це ділянка, відповідальна за цільове призначення молекули, що полягає у розпізнаванні ферментами.

Флавінові коферменти

Перший флавіновий кофермент (флавінмононуклеотид FMN) був виділений А. Сент-Дьорд'ї з серцевого м'яза в 1932 р., Р. Г. Варбург і В. Християн тоді ж отримали з дріжджів перший флавопротеїд, що містить FMN як кофермент. Другий найважливіший флавіновий кофермент – флавінаденіндинуклеотид (FAD) виділений ними як кофактор оксидази D-амінокислот у 1938 році. За рахунок окиснювально-відновного перетворення флавінового кільця флавінові коферменти здійснюють окиснювально-відновлювальні реакції у складі багатьох найважливіших ферментних систем: оксидаз (зокрема, оксидаз D- та L-амінокислот, моноамінооксидази, що регулює рівень катехоламінів у крові) та дегідрогенід та убіхінонів).

Малюнок 37. Флавінові коферменти. А-структура FAD, Б-механізм активності нікотинової кислоти, В-механізм роботи флавінових коферментів

Другий основний переносник електронів при окисненні паливних молекул – флавінаденіндинуклеотид. Скорочення, що використовуються для позначення окисленої та відновленої форм цього переносника – відповідно FAD та FADH 2 . Реакційна частина FAD – це його ізоаллоксазинове кільце. FAD, подібно до NAD + , приєднує два електрони. Однак FAD на відміну від NAD + приєднує обидва атома водню, що втрачаються субстратом.

Кінець ознайомлювального фрагмента.

Нуклеотиди – це складні біологічні речовини, які відіграють ключову роль у багатьох біологічних процесах. Вони є основою для побудови ДНК і РНК і, крім того, відповідають за синтез білків та генетичну пам'ять, будучи універсальними джерелами енергії. Нуклеотиди входять до складу коферментів, беруть участь у вуглеводному обміні та синтезі ліпідів. Крім того, нуклеотиди є компонентами активних форм вітамінів, переважно групи В (рибофлавін, ніацин). Нуклеотиди сприяють формуванню природного мікробіоценозу, надають необхідну енергію для регенеративних процесів у кишечнику, впливають на дозрівання та нормалізацію функціонування гепатоцитів.

Нуклеотиди є низькомолекулярними сполуками, що складаються з азотистих основ (пурини, піримідини), пентозного цукру (рибоза або дезоксирибозу) і 1—3 фосфатних груп.

Найбільш поширені монофосфати беруть участь у метаболічних процесах: пурини – аденозинмонофосфат (АМФ), гуанозинмонофосфат (ГМФ), піримідини – цитидинмонофосфат (ЦМФ), урідінмонофосфат (УМФ).

Чим же викликаний інтерес до проблеми вмісту нуклеотидів у дитячому харчуванні?

Досі вважалося, що це необхідні нуклеотиди синтезуються всередині організму, та його розглядали як незамінні поживні речовини. Передбачалося, що нуклеотиди, що надходять з їжею, здебільшого надають «місцеву дію», визначаючи ріст та розвиток тонкого кишечника, обмін ліпідів та печінкову функцію. Однак останні дослідження (матеріали сесії ESPGAN, 1997) показали, що ці нуклеотиди стають необхідними, коли ендогенного запасу недостатньо: наприклад, при захворюваннях, що супроводжуються енергетичним дефіцитом, — тяжких інфекціях, хворобах споживання, а також у неонатальному періоді під час швидкого зростання дитини , при імунодефіцитних станах та гіпоксичних ушкодженнях При цьому загальний обсяг ендогенного синтезу знижується, стає недостатнім для задоволення потреб організму. У таких умовах надходження нуклеотидів з їжею «заощаджує» в організмі витрати енергії для синтезу цих речовин і може оптимізувати функцію тканин. Так, лікарі здавна радили після тривалих захворювань використовувати для харчування печінку, молоко, м'ясо, бульйони, т. е. продукти, багаті нуклеотидами.

Додаткова дотація нуклеотидів з їжею дуже важлива при вигодовуванні немовлят. Нуклеотиди були виділені із жіночого молока близько 30 років тому. На сьогодні ідентифіковано 13 кислоторозчинних нуклеотидів у жіночому молоці. Давно відомо, що склад жіночого молока та молока різних видів тварин не ідентичний. Однак багато років було прийнято звертати увагу лише на основні харчові компоненти: білки, вуглеводи, ліпіди, мінерали, вітаміни. Разом з тим, нуклеотиди в жіночому молоці суттєво відрізняються, причому не лише за кількістю, а й за складом від нуклеотидів у коров'ячому молоці. Так, наприклад, оротат, головний нуклеотид коров'ячого молока, що міститься у значних кількостях навіть у адаптованих молочних сумішах, відсутній у жіночому молоці.

Нуклеотиди є компонентом азотної фракції небілкової грудної молока. Небілковий азот відповідає приблизно за 25% загального азоту в грудному молоці та містить аміносахара та карнітин, які відіграють особливу роль у розвитку новонароджених. Нуклеотидовий азот може сприяти найбільш ефективному вживанню білка у немовлят, які вигодовуються грудним молоком, які отримують порівняно менше білка в порівнянні з дітьми, яких вигодовують штучними сумішами.

Було виявлено, що у жіночому молоці концентрація нуклеотидів перевищує їх вміст у сироватці крові. Це говорить про те, що грудні залози жінки синтезують додаткову кількість нуклеотидів, які надходять до грудного молока. Також є розбіжності у змісті нуклеотидів за стадіями лактації. Так, найбільша кількість нуклеотидів у молоці визначається на 2-4 місяці, і потім їх вміст після 6-7-го місяця починає поступово знижуватися.

Раннє зріле молоко містить переважно мононуклеотиди (АМФ, ЦМФ, ГМФ). Їхня кількість у пізньому зрілому молоці вища, ніж у молозиві, проте менша, ніж у молоці першого місяця лактації.

Концентрація нуклеотидів у грудному молоці набагато вище взимку, ніж у аналогічні терміни годівлі у період.

Ці дані можуть свідчити про те, що в клітинах грудних залоз відбувається додатковий синтез нуклеотидів, тому що в перші місяці життя речовини, що ззовні надходять, підтримують необхідний рівень метаболізму і енергетичного обміну дитини. Збільшення синтезу нуклеотидів у грудному молоці в зимовий період є захисним механізмом: у цей час року дитина більше схильна до інфекції і легше розвивається вітамінна і мінеральна недостатність.

Як зазначалося вище, склад і концентрація нуклеотидів у молоці всіх видів ссавців різняться, але їх кількість нижче, ніж у грудному молоці. Це, мабуть, пов'язано з тим, що потреба в екзогенних нуклеотидах особливо висока у беззахисних дитинчат.

Грудне молоко — це найбільш збалансований продукт для раціонального розвитку, а й тонка фізіологічна система, здатна змінюватися залежно потреб дитини. Грудне молоко ще довго всебічно вивчатиметься, причому не тільки кількісний і якісний його склад, а й роль окремих інгредієнтів у функціонуванні систем організму, що росте і формується. Суміші для штучного вигодовування немовлят також удосконалюватимуться і поступово перетворяться на справжні «замінники грудного молока». Дані про те, що нуклеотиди грудного молока мають ширше фізіологічне значення для організму, що росте і розвивається, послужили основою для введення їх у суміші для дитячого харчування і наближення по концентрації та складу до таких у грудному молоці.

Наступним етапом досліджень стала спроба встановити вплив нуклеотидів, введених у дитячі суміші, на дозрівання плода та розвиток немовляти.

Найбільш наочними виявилися дані про активацію імунної системи дитини. Як відомо, IgG реєструється ще внутрішньоутробно, IgM починає синтезуватися відразу після народження дитини, IgA синтезується найповільніше, і активний його синтез виникає до кінця 2-3-го місяця життя. Ефективність їх вироблення багато в чому визначається зрілістю імунної відповіді.

Для дослідження було сформовано 3 групи: діти, які отримували лише грудне молоко, лише суміші з нуклеотидами та молочні суміші без нуклеотидів.

В результаті було виявлено, що діти, які отримували формули з нуклеотидними добавками, до кінця 1-го місяця життя та на 3-му місяці мали рівень синтезу імуноглобуліну М, приблизно рівний такому у дітей, які перебувають на грудному вигодовуванні, але значно вищий, ніж у дітей, які отримували просту суміш. Аналогічні результати отримані при аналізі рівня синтезу імуноглобуліну А .

Зрілість імунної системи визначає ефективність вакцинопрофілактики, адже здатність до формування імунної відповіді на щеплення - це один із показників вироблення імунітету на першому році життя. Для прикладу досліджували рівень вироблення антитіл до дифтерії у дітей, що знаходяться на «нуклеотидній» формулі, грудному вигодовуванні та сумішах без нуклеотидів. Рівень антитіл вимірювався через 1 місяць після першої та після останньої вакцинації. Встановлено, що навіть перші показники були вищими, а другі — достовірно вищими у дітей, які отримували суміші з нуклеотидами.

При дослідженні впливу вигодовування сумішшю з нуклеотидами на фізичний та психомоторний розвиток дітей відзначено тенденцію до кращого збільшення маси та більш швидкого становлення моторної та психічної функції.

Крім того, є дані, що дотація нуклеотидів сприяє більш швидкому дозріванню нервової тканини, функцій мозку та зорового аналізатора, що вкрай актуально для недоношених та морфофункціонально незрілих дітей, а також малюків із офтальмологічними проблемами.

Усім відомі проблеми зі становленням мікробіоценозу у дітей раннього віку, особливо у перші місяці. Це явища диспепсії, кишкові кольки, підвищений метеоризм. Споживання «нуклеотидних» сумішей дозволяє швидше нормалізувати ситуацію без необхідності корекції пробіотиками. У дітей, які отримували суміші з нуклеотидами, рідше відзначалися дисфункція шлунково-кишкового тракту, нестійкість випорожнень, вони легше переносили введення наступного прикорму.

Однак при застосуванні сумішей з нуклеотидами необхідно мати на увазі, що вони скорочують частоту випорожнень, тому дітям із запорами їх слід рекомендувати з обережністю.

Особливе значення ці суміші можуть мати у дітей із гіпотрофією, анемією, а також перенесли гіпоксичні порушення у неонатальному періоді. Суміші з нуклеотидами допомагають вирішити низку проблем, що виникають при виходженні недоношених дітей. Зокрема, йдеться про поганий апетит і низький збільшення маси тіла протягом всього першого року життя, крім того, вживання сумішей сприяє більш повноцінному психомоторному розвитку малюків.

Виходячи з вищевикладеного застосування сумішей з нуклеотидними добавками для нас, лікарів, має великий інтерес. Рекомендувати ці суміші ми можемо великому колу дітей, тим більше, що суміші не є лікувальними. Разом з тим, ми вважаємо важливим вказати на можливість індивідуальних смакових реакцій у дітей раннього віку, особливо при переведенні дитини зі звичайної суміші на нуклеотидовмісну. Так, у деяких випадках, навіть при використанні сумішей однієї фірми, ми відзначали у дитини негативні реакції, аж до відмови від запропонованої суміші. Однак усі літературні джерела стверджують, що нуклеотиди не тільки не впливають негативно на смакові якості, а й, навпаки, покращують їх, не змінюючи органолептичних властивостей суміші.

Представляємо огляд сумішей, що містять нуклеотидні добавки та наявні на нашому ринку. Це сироваткові суміші фірми "Фрізленд Ньютрішн" (Голландія) "Фрісолак", "Фрісомел", в яких містяться 4 нуклеотиди, ідентичних нуклеотидам жіночого молока; сироваткова суміш "Мамекс" (Intern Nutrition, Данія), НАН ("Нестле", Швейцарія), "Енфаміл" ("Мід Джонсон", США), суміш "Сімілак формула плюс" ("Еббот Лабораторіз", Іспанія/США). Кількість та склад нуклеотидів у цих сумішах різні, що визначається фірмою-виробником.

Всі фірми-виробники намагаються підібрати співвідношення та склад нуклеотидів, наблизивши його, наскільки можливо технічно та біохімічно, до аналогічних показників грудного молока. Цілком зрозуміло, що механічний підхід не є фізіологічним. Безумовно, введення нуклеотидів у суміші для дитячого харчування – це революційний крок у виробництві замінників грудного молока, що сприяє максимальному наближенню до складу жіночого грудного молока. Однак ніяка суміш поки не може вважатися фізіологічно повністю ідентичною цій єдиній, універсальній і необхідній дитині продукту.

Література

1. Gyorgy. P. Biochemical aspects. Am.Y.Clin. Nutr. 24 (8), 970-975.
2. Europan society для Pediatric Gastroenterology and Nutrition (ESPGAN). Committee on Nutrition: Guidelines on infant nutrition I. Recommendations on composition of an adapted formula. Asta Paediatr Scand 1977; Suppl 262: 1-42.
3. James L. Leach, Jeffreu H. Baxter, Bruce E. Molitor, Mary B. Ramstac, Marc L\Masor. Усі потенційно наявні нуклеотиди материнського молока на стадії лактації//Американський журнал клінічного харчування. – Червень 1995. – Т. 61. – №6. – С. 1224-30.
4. Carver J. D., Pimental B., Cox WI, Barmess L. A. Dietary nucleotidi effects upon immune function в infаnts. Pediatrics 1991; 88; 359-363.
5. Uauy. R., Stringel G., Thomas R. and Quan R. (1990) Ефект з dietari nucleosides на зростанні і знімання розвитку gut в цибулі. J. Pediatr. Gastroenterol. Nutr. 10, 497-503.
6. Brunser O., Espinosa J., Araya М., Gruchet S. and Gil А. (1994) Ефект з dietari nucleotide suppementation on diarhoeal disease in infants. Asta Paediatr. 883. 188-191.
7. Кешишян Є. З., Бердникова Є. До.//Смеси з нуклеотидними добавками для вигодовування дітей першого року життя//Дитяче харчування XXI століття. – С. 24.
8. Девід. Нові технології поліпшення продуктів дитячого харчування// Педіатрія. – 1997. – №1. – С. 61-62.
9. Суміші з нуклеотидними добавками для вигодовування немовлят. Очікуваний ефект// Педіатрія. Consilium medicum. - Додаток №2. – 2002. – С. 27-30.

Кешишян, доктор медичних наук, професор
Є. К. Бердникова
МНІІ педіатрії та дитячої хірургії МОЗ РФ, Москва