Строение нуклеотидов: вид, строение и длина одного нуклеотида

Нуклеотиды | Кинезиолог

Определение понятия

Нуклеотиды — это сложные мономеры, из которых собраны гетерополимерные молекулы. ДНК и РНК. Свободные нуклеотиды участвуют в сигнальных и энергетических процессах жизнедеятельности.  ДНК-нуклеотиды и РНК-нуклеотиды имеют общий план строения, но различаются по строению сахара-пентозы. В ДНК-нуклеотидах используется сахар дезоксирибоза, а в РНК-нуклеотидах — рибоза.

Структура нуклеотида

В каждом нуклеотиде можно выделить 3 части:

1. Углевод — это пятичленный сахар-пентоза (рибоза или дезоксирибоза).

2. Фосфорный остаток (фосфат) — это остаток фосфорной кислоты.

3. Азотистое основание — это соединение, в котором много атомов азота. В нуклеиновых кислотах используется всего 5 видов азотистых оснований : Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин, Урацил. В ДНК — 4 вида: Аденин, Тимин, Гуанин, Цитозин. В РНК — тоже 4 вида: Аденин, Урацил, Гуанин, Цитозин, Легко заметить, что в РНК происходит замещение Тимина на Урацил по сравнению с ДНК.

Общая структурная формула пентозы (рибозы или дезоксирибозы), молекулы которой образуют «скелет» нуклеиновых кислот:

 Если  Х заменить на Н (Х = Н) — то получаются дезоксирибонуклеозиды; если Х заменить на ОН (Х = ОН) — то получаются рибонуклеозиды. Если вместо R подставить азотистое основание (пуриновое или пиримидиновое) — то получится конкретный нуклеотид.

 Важно обратить внимание на те положения атомов углерода в пентозе, которые обозначены как 3′ и 5′. Нумерация атомов углерода начинается от атома кислорода вверху и идёт по часовой стрелке. Последним получается атом углерода (5′), который располагается за пределами пентозного кольца и образует, можно сказать, «хвостик» у пентозы. Так вот, при наращивании цепочки из нуклеотидов фермент может присоединить новый нуклеотид только к углероду 3′ и ни к какому другому. Поэтому 5′-конец нуклеотидной цепочки никогда не сможет иметь продолжения, удлинняться может только 3′-конец.

Азотистые основания

Нуклеотиды

Сравните нуклеотид для РНК с нуклеотидом для ДНК.

Попробуйте узнать, какой это нуклеотид, в таком представлении:

 

АТФ — свободный нуклеотид

цАМФ — «закольцованная» молекула АТФ

Схема строения нуклеотида

Обратите внимание на то, что активированный нуклеотид, способный наращивать цепочку ДНК или РНК, имеет «трифосфатный хвостик». Именно этим «энергонасыщенным» хвостиком он может присоединиться к уже имеющейся цепочке растущей нуклеиновой кислоты. Фосфатный хвостик сидит на 5-м атоме углерода, так что это положение углерода уже занято фосфатами и предназнено для прикрепления. К чему же его прикрепить? Только к углероду в положении 3′. После прикрепления данный нуклеотид сам станет мишенью дла прикрепления следующего нуклеотида. «Принимающая сторона» предоставляет углерод в положении 3′, а «прибывающая сторона» цепляется к нему фосфатным хвостиком, находящимся в положении 5′. В целом цепочка растёт со стороны 3′.

 

Наращивание нуклеотидной цепочки ДНК

 Наращивание цепочки за счёт «продольных» связей между нуклеотидами может идти только в одном направлении: от 5′ ⇒ к 3′, т.к. новый нуклеотид можно присоединить только к 3′-концу цепочки, но не к 5′-концу.

 Пары нуклеотидов, связанные «поперечными» комплементарными связями своих азотистых оснований

 

 Участок двойной спирали ДНК

Найдите признаки антипараллельности двух цепей ДНК.

Найдите пары нуклеотидов с двойными и тройными комплементарными связями.

 

СТРОЕНИЕ НУКЛЕОТИДОВ — Студопедия

Каждый нуклеотид содержит 3 химически различных компонента:

1) гетероциклическое азотистое основание,

2) моносахарид (пентозу)

3) остаток фосфорной кислоты.

В зависимости от числа имеющихся в молекуле остатков фосфорной кислоты различают нуклеозидмонофосфаты (НМФ), нуклеозиддифосфаты (НДФ), нуклео-зидтрифосфаты (НТФ)

В состав нуклеиновых кислот входят азотистые основания двух типов:

1) пуриновые— аденин (А), гуанин (G)

2) пиримидиновые— цитозин (С), тимин (Т) и урацил (U).

Номенклатура нуклеотидов

Азотистое основание	Нуклеозид	Нуклеотид	Трехбуквенное обозначение	Однобуквенный код
Аденин	Аденозин	Аденозинмонофосфат	АМФ	А
Гуанин	Гуанозин	Гуанозинмонофосфат	ГМФ	G
Цитозин	Цитидин	Цитидин монофосфат	ЦМФ	С
Урацил	Уридин	Уридинмонофосфат	УМФ	U
Тимин	Тимидин	Тимидинмонофосфат	ТМФ	Т

В молекулы РНК входят аденин (А), урацил (U), гуанин (G) и цитозин (С),

В молекулы ДНК — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С).

Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК):

Первичная структура ДНК —порядок чередования дезоксирибонуклеозидмонофосфатов (дНМФ) в полинуклеотидной цепи.

Связь между мономерами обозначают 3′, 5′-фосфодиэфирной.

Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5′-конце находится фосфатная группа, а на 3′-конце цепи — свободная ОН-группа. Эти концы называют 5′- и 3′-концами. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5′- к 3′-концу.

Вторичная структура ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком была предложена модель пространственной структуры ДНК. Согласно этой модели, молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотиднье цепи в ней антипараллельны , т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3’→5′, то вторая — в направлении 5’→3′. Поэтому на каждом из концов молекулы ДНК расположены 5′-конец одной цепи и 3′-конец другой цепи.

Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов — снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связеймежду комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). При таком сочетании каждая пара содержит по три кольца, поэтому общий размер этих пар оснований одинаков по всей длине молекулы. Последовательность нуклеотидов одной цепи полностью комплементарна последовательности нуклеотидов второй цепи. Поэтому, согласно правилу Чаргаффа (Эрвин Чаргафф в 1951 г. установил закономерности в соотношении пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК), число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С).

Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль. Такая структура исключает контакт азотистых остатков с водой, но стопка оснований не может быть абсолютно вертикальной. Пары оснований слегка смещены относительно друг друга. Длина одного витка 3,37 нм. В образованной структуре различают две бороздки — большую, шириной 2,2 нм, и малую, шириной 1,2 нм. Азотистые основания в области большой и малой бороздок взаимодействуют со специфическими белками, участвующими в организации структуры хроматина.

Нуклеотиды — Википедия

Строение нуклеотидов

Нуклеоти́ды (нуклеозидфосфаты) — группа органических соединений, представляют собой фосфорные эфиры нуклеозидов. Свободные нуклеотиды, в частности АТФ, цАМФ, АДФ, играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов.

Строение

Нуклеотиды являются сложными эфирами нуклеозидов и фосфорных кислот. Нуклеозиды, в свою очередь, являются N-гликозидами, содержащими гетероциклический фрагмент, связанный через атом азота с C-1 атомом остатка сахара.

В природе наиболее распространены нуклеотиды, являющиеся β-N-гликозидами пуринов или пиримидинов и пентоз — D-рибозы или D-2-дезоксирибозы. В зависимости от структуры пентозы различают рибонуклеотиды и дезоксирибонуклеотиды, которые являются мономерами молекул сложных биологических полимеров

(полинуклеотидов) — соответственно РНК или ДНК^[1].

Фосфатный остаток в нуклеотидах обычно образует сложноэфирную связь с 2′-, 3′- или 5′-гидроксильными группами рибонуклеозидов, в случае 2′-дезоксинуклеозидов этерифицируются 3′- или 5′-гидроксильные группы.

Большинство нуклеотидов являются моноэфирами ортофосфорной кислоты, однако известны и диэфиры нуклеотидов, в которых этерифицированы два гидроксильных остатка — например, циклические нуклеотиды циклоаденин- и циклогуанин монофосфаты (цАМФ и цГМФ). Наряду с нуклеотидами — эфирами ортофосфорной кислоты (монофосфатами) в природе также распространены и моно- и диэфиры пирофосфорной кислоты (дифосфаты, например, аденозиндифосфат) и моноэфиры триполифосфорной кислоты (трифосфаты, например, аденозинтрифосфат).

Номенклатура

Буквенные коды для обозначения нуклеотидов

Код	Означает	Комплементарная пара
A	A	T в ДНК; U в РНК
C	C	G
G	G	C
T или U	T в ДНК; U в РНК	A
M	A или C	K
R	A или G	Y
W	A или T	W
S	C или G	S
Y	C или T	R
K	G или T	M
V	A или C или G	B
H	A или C или T	D
D	A или G или T	H
B	C или G или T	V
X или N	A или C или G или T (U)	любой

Соединения, состоящие из двух нуклеотидовых молекул, называются

динуклеотидами, из трёх — тринуклеотидами, из небольшого числа — олигонуклеотидами, а из многих — полинуклеотидами, или нуклеиновыми кислотами.

Названия нуклеотидов представляют собой аббревиатуры в виде стандартных трёх- или четырёхбуквенных кодов.

Если аббревиатура начинается со строчной буквы «д» (англ. d), значит подразумевается дезоксирибонуклеотид; отсутствие буквы «д» означает рибонуклеотид. Если аббревиатура начинается со строчной буквы «ц» (англ. c), значит речь идёт о циклической форме нуклеотида (например, цАМФ).

Первая прописная буква аббревиатуры указывает на конкретное азотистое основание или группу возможных нуклеиновых оснований, вторая буква — на количество остатков фосфорной кислоты в структуре (М — моно-, Д — ди-, Т — три-), а третья прописная буква — всегда буква Ф («-фосфат»; англ. P).

Латинские и русские коды для нуклеиновых оснований:

Общепринятые буквенные коды для обозначения нуклеотидных оснований соответствуют номенклатуре, принятой Международным союзом теоретической и прикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry, сокращённо — англ. IUPAC, ИЮПАК) и Международным союзом биохимии и молекулярной биологии (International Union of Biochemistry and Molecular Biology

[en], сокращённо — англ. IUBMB). Если при секвенировании последовательности ДНК или РНК возникает сомнение в точности определения того или иного нуклеотида, помимо пяти основных (A, C, T, G, U), используют другие буквы латинского алфавита в зависимости от того, какие наиболее вероятные нуклеотиды могут находиться в данной позиции последовательности. Эти же дополнительные буквы используют для обозначения вырожденных (не совпадающих у разных гомологичных последовательностей) позиций, например при записи последовательности праймеров для ПЦР.

Длину секвенированных участков ДНК (гена, сайта, хромосомы) или всего генома указывают в парах нуклеотидов (пн), или парах оснований (англ. base pairs, сокращённо

bp), подразумевая под этим элементарную единицу двухцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты, сложенную из двух спаренных комплементарных оснований.

Биологическая роль

1. Универсальный источник энергии (АТФ и его аналоги).

2. Являются активаторами и переносчиками мономеров в клетке(УДФ-глюкоза)

3. Выступают в роли коферментов (ФАД, ФМН, НАД⁺, НАДФ⁺)

4. Циклические мононуклеотиды являются вторичными посредниками при действии гормонов и других сигналов(цАМФ, цГМФ).

5. Аллостерические регуляторы активности ферментов.

6. Являются мономерами в составе нуклеиновых кислот, связанные 3′-5′-фосфодиэфирными связями.

История

В домолекулярной генетике для обозначения наименьшего элемента в структуре ДНК, который может быть подвержен спонтанной или индуцированной мутации, применялся особый термин рекон. В настоящее время показано, что таким наименьшим элементом является один нуклеотид (или одно азотистое основание в составе нуклеотида), поэтому данный термин более не употребляется. Для определения понятия

единица мутации применялся термин мутон. В настоящее время показано, что фенотипически мутация может проявиться даже при замене одного нуклеотида (или азотистого основания в составе нуклеотида), таким образом, термин мутон соответствует одному нуклеотиду.

Примечания

См. также

Ссылки

Структура нуклеотида | Химия онлайн

Нуклеотид – это фосфат нуклеозида, т.е. сложный эфир нуклеозида и фосфорной кислоты (фосфорный эфир нуклеозида).

Нуклеотиды могут быть получены при неполном гидролизе нуклеиновых кислот. Молекула нуклеотида состоит из одной молекулы азотистого основания, одной молекулы пентозы и одной или нескольких (2 или 3) молекул фосфорной кислоты.

Остаток фосфорной кислоты связан с 3-м или 5-м атомом углерода моносахарида, а остаток азотистого основания – с 1-м атомом углерода моносахарида.

где Х – ОН для рибонуклеотидов, построенных на основе рибозы, и Х = Н для дезоксирибонуклеотидов, построенных на основе дезоксирибозы. В зависимости от типа азотистого основания, различают пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды.

Нуклеиновые кислоты, состоящие из рибонуклеотидов, называют рибонуклеиновыми кислотами (РНК). Нуклеиновые кислоты, состоящие из дезоксирибонуклеотидов, называют дезоксирибонуклеиновыми кислотами (ДНК).

К нуклеотидам относится, например, аденозинтрифосфат (АТФ), который играет важную роль в биохимических процессах, отвечая за хранение и перенос энергии в живой клетке. Молекула АТФ построена из аденина, рибозы и трех фосфатных групп:

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты

☰

Нуклеиновые кислоты — это биополимеры, наряду с белками играющие наиважнейшую роль в клетках живых организмов. Нуклеиновые кислоты отвечают за хранение, передачу и реализацию наследственной информации.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды, таким образом они сами представляют полинуклеотиды.

Строение нуклеотидов

Каждый нуклеотид, входящий в состав нуклеиновой кислоты, состоит из трех частей:

• пятиуглеродного сахара (пентозы),

• азотистого основания,

• фосфорной кислоты.

Химические связи между частями нуклеотида ковалентные, образующиеся в результате реакций конденсации (т. е. с выделением молекул воды). Конденсация обратна гидролизу.

В нуклеотиде первый атом углерода пентозы связан с азотистым основанием (связь C-N), а пятый — с фосфорной кислотой (фосфоэфирная связь: C-O-P).

Существуют два основных типа нуклеиновых кислот — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). В составе РНК сахар представлен рибозой, а в ДНК — дезоксирибозой. В обоих случаях в нуклеиновых кислотах встречается циклический вариант пентоз. Дезоксирибоза отличается от рибозы отсутствием атома кислорода при втором атоме углерода.

Наличие дополнительной гидроксильной группы (-OH) у рибозы делает РНК молекулой, легче вступающей в химические реакции.

В составе нуклеотидов нуклеиновых кислот обычно встречаются следующие азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г, G), цитозин (Ц, C), тимин (Т), урацил (У, U).

Аденин и гуанин относятся к пуринам, остальные — к пиримидинам. В молекуле пуринов имеется два кольца, а у пиримидинов только одно. Урацил почти не встречается в ДНК, а тимин весьма редок для РНК. То есть для ДНК характерны аденин, гуанин, тимин и цитозин. Для РНК — аденин, гуанин, урацил и цитозин. Тимин схож с урацилом, отличатся от него лишь метилированным (имеющим группу -CH₃) пятым атомом кольца.

Химическое соединение сахара с азотистым основанием называется нуклеозидом. Ниже представлены нуклеозиды, где в качестве сахара выступает рибоза.

Нуклеозид, реагируя с фосфорной кислотой, образует нуклеотид. Ниже представлен нуклеотид, где в качестве сахара выступает дезоксирибоза, а в качестве азотистого основания — аденин.

Именно наличие остатков фосфорной кислоты в молекулах нуклеиновых кислот определяет их кислотные свойства.

Строение нуклеиновых кислот

Нуклеотиды линейно соединяются между собой, образуя длинные молекулы нуклеиновых кислот. Цепочки многих молекул ДНК являются самыми длинными существующими полимерами. Длина молекул РНК обычно существенно меньше ДНК, но при этом различна, т. к. зависит от типа РНК.

При образовании полинуклеотида (нуклеиновой кислоты) остаток фосфорной кислоты предыдущего нуклеотида соединяется с 3-м атомом углерода пентозы следующего нуклеотида. Связь образуется такая же как между 5-м атомом углерода сахара и фосфорной кислотой в самом нуклеотиде – ковалентная фосфоэфирная.

Таким образом, остов молекул нуклеиновых кислот составляют пентозы, между которыми образуются фосфодиэфирные мостики (по-сути остатки пентоз и фосфорных кислот чередуются). От остова в сторону отходят азотистые основания. На рисунке ниже представлена часть молекулы рибонуклеиновой кислоты.

Следует отметить, что молекулы ДНК обычно не только длиннее РНК, но и состоят из двух цепей, соединенных между собой водородными связями, возникающими между азотистыми основаниями. Причем данные связи образуются согласно принципу комплементарности, по которому аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.

Подобные связи могут возникать и в РНК (но здесь аденин комплементарен урацилу). Однако в РНК водородные связи образуются между нуклеотидами одной цепи, в результате чего молекула нуклеиновой кислоты сворачивается различным образом.