26.4. Строение полинуоклеозидов

Определения и обозначения

Нуклеозид — соединение азотистого основания с остатком пентозы, связанное N-гликозидной связью. Пентоза — пятиуглеродный сахар; в нуклеозидах встречаются рибоза и дезоксирибоза. Это базовое звено, из которого строятся более крупные молекулы нуклеиновых кислот. По составу нуклеозида можно определить, какое основание и какой сахар входят в звено.

Нуклеотид — нуклеозид, содержащий один или несколько остатков фосфорной кислоты. Значит, к основанию и сахару добавляется фосфатная часть. Именно нуклеотиды служат звеньями цепей ДНК и РНК, а отдельные нуклеотиды участвуют и в других процессах клетки. При различении этих понятий достаточно проверить, есть ли в составе фосфатный остаток.

Полинуклеозид — цепь, в которой нуклеозидные остатки соединены фосфатными мостиками. При образовании цепи фосфат связывает сахара соседних звеньев, а основания остаются присоединёнными к сахарам. Поэтому можно отдельно рассматривать остов цепи и выступающие от него основания. Такое представление помогает понять, как устроены длинные молекулы нуклеиновых кислот.

Фосфодиэфирная связь — связь фосфатного остатка с двумя гидроксильными группами соседних нуклеозидов. Гидроксильная группа содержит атом кислорода и водород, а в цепи через её кислород сахар соединяется с фосфатом. Связь называют диэфирной, потому что фосфат связан с двумя сахарными остатками. Она соединяет звенья в цепь и формирует её сахарофосфатный остов.

Как это устроено

Чтобы получить нуклеозид, азотистое основание соединяют с пентозой: атом азота основания образует N-гликозидную связь с атомом углерода сахара. В ДНК сахаром служит дезоксирибоза, в РНК — рибоза. Их строение похоже, но у рибозы при втором атоме углерода есть гидроксильная группа, а у дезоксирибозы вместо неё находится атом водорода. Это различие влияет на свойства молекул, хотя схема соединения основания с сахаром у них общая.

Нуклеозид становится нуклеотидом при присоединении остатка фосфорной кислоты к гидроксильной группе сахара. При этом компоненты уже не просто соседствуют: между ними образуется химическая связь. Фосфатные группы могут присоединяться в разных количествах, поэтому существуют нуклеотиды с одним, двумя или тремя фосфатными остатками. Для построения цепи особенно важны нуклеотидные звенья, у которых фосфат участвует в соединении соседних сахаров.

При соединении звеньев фосфатный остаток связывает гидроксильную группу у 3′-атома углерода одного сахара с группой у 5′-атома следующего. Штрих обозначает номер атома углерода в сахаре и помогает не спутать его с атомами азота и углерода в основании. Удаление воды при образовании такой связи соответствует реакции этерификации. Поскольку фосфат связан сразу с двумя сахарами, получившуюся связь называют 3′,5′-фосфодиэфирной.

Каждый следующий фосфатный мостик продолжает ту же схему, поэтому в цепи многократно повторяются сахар и фосфат. Эта повторяющаяся часть называется сахарофосфатным остовом и служит каркасом молекулы. Азотистые основания присоединены к сахарам, но в фосфатных мостиках не участвуют. Они выступают сбоку от остова, что позволяет им взаимодействовать с основаниями другой цепи, не нарушая соединения звеньев внутри своей.

У сахарных звеньев есть различимые 5′- и 3′-позиции, и последовательное соединение через них задаёт ориентацию всей цепи. Один её конец называют 5′-концом, другой — 3′-концом; последовательности принято записывать от 5′ к 3′. В ДНК две цепи располагаются так, что одна направлена 5′→3′, а другая — 3′→5′, то есть они антипараллельны. Напротив друг друга оказываются комплементарные основания: аденин с тимином, гуанин с цитозином; водородные связи между ними удерживают две цепи вместе.

Сравнение строения ДНК и РНК

Сначала сравни сахар и набор оснований: именно они позволяют быстро отличить состав ДНК от состава РНК. Затем посмотри на число цепей и роль молекул, помня, что одноцепочечная РНК может образовывать участки спаривания сама с собой. Тип связи между звеньями у обеих молекул одинаков, а различается главным образом состав звеньев и организация цепей.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие соединения являются нуклеозидами, а какие — нуклеотидами: а) аденин и рибоза; б) аденин, рибоза и остаток фосфорной кислоты; в) гуанин, дезоксирибоза и два фосфатных остатка. Нужно сопоставить состав каждого соединения с определениями, а не ориентироваться только на название основания. Число фосфатных остатков не меняет главный критерий: их наличие отличает нуклеотид от нуклеозида.

1. В варианте а есть основание и пентоза, но нет фосфатного остатка. Это состав нуклеозида.
2. В варианте б к основанию и рибозе добавлен фосфат. Поэтому соединение является нуклеотидом.
3. В варианте в тоже присутствуют основание и пентоза, а два фосфатных остатка подтверждают, что это нуклеотид.

Ответ: а — нуклеозид; б и в — нуклеотиды.

Задача 2. Запишите строение фрагмента полинуклеозида 5′-А–Г–Ц–Т-3′ и укажите, какие атомы соседних сахаров соединены фосфатным мостиком. Буквы обозначают основания, прикреплённые к сахарам: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Важно показать не прямое соединение букв, а повторяющиеся сахарофосфатные звенья и направление цепи.

1. Расположите основания в заданном порядке и свяжите каждое с сахаром: А—сахар—Г—сахар—Ц—сахар—Т. Каждый сахар с основанием образует нуклеозидный остаток.
2. Между соседними сахарами поставьте фосфатные мостики, сохраняя последовательность оснований. Схематично фрагмент можно записать так: 5′-А—сахар—фосфат—сахар—Г—сахар—фосфат—сахар—Ц—сахар—фосфат—сахар—Т-3′.
3. Для каждого мостика укажите связь через кислород гидроксильной группы при 3′-атоме одного сахара и группу при 5′-атоме следующего. Это 3′,5′-фосфодиэфирная связь.

Ответ: в остове чередуются сахара и фосфаты, а основания выступают от сахаров в заданной последовательности. Каждый мостик соединяет 3′-позицию одного сахара с 5′-позицией соседнего.

Задача 3. Для фрагмента ДНК 5′-А–Г–Ц–Ц–Т-3′ постройте комплементарную антипараллельную цепь и определите общее число водородных связей. При спаривании аденин соединяется с тимином, гуанин — с цитозином. Пара А—Т образует две водородные связи, а пара Г—Ц — три, поэтому посчитать нужно пары каждого вида.

1. Найдите комплементарное основание напротив каждого символа исходной цепи: А—Т, Г—Ц, Ц—Г, Ц—Г, Т—А. Полученный порядок соответствует направлению, противоположному исходной записи.
2. Запишите вторую цепь антипараллельно: 3′-Т–Ц–Г–Г–А-5′. Проверка: напротив каждого основания стоит его комплементарная пара.
3. Подсчитайте связи: две пары А—Т дают 2 × 2 = 4, три пары Г—Ц дают 3 × 3 = 9. Сложите результаты: 4 + 9 = 13.

Ответ: комплементарная цепь — 3′-Т–Ц–Г–Г–А-5′; всего 13 водородных связей.

Типичные ошибки

Называют нуклеозид нуклеотидом, хотя в его составе нет остатка фосфорной кислоты. Обычно путают термины из-за похожих названий и того, что оба соединения содержат основание и сахар. Проверьте состав по частям: если фосфата нет, это нуклеозид; если есть, это нуклеотид.

Считают, что фосфодиэфирная связь соединяет непосредственно азотистые основания. Так могут подумать, потому что именно основания записывают буквами в последовательности. Но связь проходит через фосфат и сахар, образуя остов; основания прикреплены к сахарам сбоку. Чтобы проверить себя, проследите, какие атомы соединены: мостик связывает 3′- и 5′-позиции соседних сахаров.

Записывают обе цепи ДНК в направлении 5′→3′, забывая об антипараллельности. Ошибка возникает, если при подборе комплементарных оснований не отметить ориентацию каждой цепи. В паре цепей направление одной должно быть противоположно направлению другой: если первая записана 5′→3′, комплементарную записывают 3′→5′.

Путают комплементарные пары или считают, что все пары дают одинаковое число водородных связей. Основания могут казаться взаимозаменяемыми, но соответствие строгое: А—Т, Г—Ц, а в РНК А—У. При подсчёте используйте две связи для А—Т и три для Г—Ц; сумма должна учитывать число пар каждого вида.

Связь с другими темами

Для понимания строения цепи полезны знания о моносахаридах, азотистых основаниях, гликозидной связи и реакциях этерификации. Они объясняют, из каких частей складывается нуклеозид и как фосфат соединяется с сахаром. Представление о сахарофосфатном остове и направлении цепи понадобится при изучении строения и функций ДНК и РНК. На этих знаниях основано понимание репликации, матричного синтеза белка и применения нуклеиновых кислот в биотехнологии.

Что запомнить

• Нуклеозид состоит из азотистого основания и пентозы.
• Нуклеотид содержит нуклеозид и остаток фосфорной кислоты.
• Нуклеозидные остатки в цепи соединяются 3′,5′-фосфодиэфирными связями.
• Сахарофосфатный остов образует основу полимерной цепи.
• Цепь имеет направление от 5′-конца к 3′-концу.
• В ДНК аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
• Цепи ДНК антипараллельны и удерживаются водородными связями между основаниями.