Нуклеїнові кислоти являють собою високомолекулярні гетерополімери, які складаються із залишків ортофос-фатної кислоти і рибози або дезоксирибози, що чергуються, сполучених з нуклеїновими основами, які виступають у полімерному ланцюзі як «бокові» групи (рис. 24.1).
З ))—цукрова частина
(залишок рибози в РНК або дезоксиробози в ДНК)
залишок цитозину
0])-залишок НС **=г гуаніну^—
Т))—залишок Г А)— залишок ^=/ тиміну ^==і^ аденіну
Рис. 24.1. Схема ділянки полінуклеотидного ланцюга молекули нуклеїнової кислоти
Певна послідовність нуклеотидних ланок у полінуклеотид-ному ланцюзі називається первинною структурою нуклеїнових кислот.
Просторова орієнтація полінуклеотидних ланцюгів у молекулі називається вторинною структурою нуклеїнових кислот.
Уперше модель вторинної структури ДНК у вигляді подвійної спіралі описали американський біохімік Дж. Уотсон і англійський біохімік Ф. Крік (1953 р.). Спираючись на роботи Л. Полінга, А. Тодца, Е. Чаргаффа, М. Уїлкінса та інших, вони дійшли висновку, що молекула ДНК являє собою дві паралельні правозакру-чені спіралі (подвійна спіраль), фіксовані між собою ван-дер-ва-альсовими силами тяжіння, що діють вздовж спіралі між ядрами нуклеїнових основ (міжшіощинна вертикальна взаємодія). Крім того, вторинна структура стабілізується водневими зв'язками між залишками нуклеїнових основ двох паралельних спіралей.
У моделі Уотсона та Кріка діаметр спіралі становить 1,8—2,0 нм. Кожен виток спіралі містить 10 пар основ. Крок спіралі дорівнює 3,4 нм (рис. 24.2). Відстань між площинами основ по вертикалі дорівнює 0,34 нм. Полінуклеотидні ланцюги подвійної спіралі розташовані в протилежних напрямках. При цьому основи розташовані всередині спіралі, а залишки фосфатів та дезоксирибози — іззовні.
Глава 24
Нуклеїнові кислоти
- 451
залишок цитозину
ОС
Н-ЇЧН
залишок аденіну д]\^—Ц \
■
И-Н ■ ■ • N
ОИі- -° У/
пентоза| Н і | пентоза
\
Нитка Б
водневі зв'язки
НиткЬ А
О залишок тиміну
■н-к
^сня
АТ
Рис. 24.2. Схема
подвійної спіралі
ДНК
Рис. 24.3. Схема
будови подвійної
спіралі ДНК
Між піримідиновими та пуриновими нуклеїновими основами паралельних ниток подвійної спіралі ДНК утворюються водневі зв'язки. При цьому аденін утворює зв'язок з тиміном, а гуанін — із цитозином. Тому їх називають комплементарними парами (А—Т і О—С). У комплементарній парі О—С є три водневі зв'язки, а в комплементарній парі А—Т — два водневі зв'язки. (Більш наочно комплементарність проілюстровано на рис. 24.3 і на форзаці II, рис. 3).
РНК являє собою одинарну спіраль. Вторинна структура РНК має відносно невелику масу. Кількість нуклеотидів коливається від 75 до кількох тисяч. Полінуклеотидний ланцюг РНК не має чітко визначеної будови. Вона може укладатися сама на себе і утворювати окремі дволанцюгові ділянки:
—О—О—С—ї_і— О— О—С—А— С—С—С—С І
і ; і ; ; ; ; ; і і ; і У*
—С— У— С—О— II— С— С—У— О—О— О—О—С
А—А—
Водневі зв'язки в РНК не підлягають таким суворим правилам, як у ДНК: гуанін (О) може утворювати водневі зв'язки як з урацилом (II), так і з цитозином (С). Тому дволанцюгові ділянки РНК не комплементарні, а нуклеотидний склад може змінюватися.
Відомі три типи РНК: матрична, або ще — інформаційна РНК (м-РНК), рибосомна РНК(р-РНК) і транспортна РНК (т-РНК).
Інформаційна, або матрична РНК (м-РНК) зчитує та переносить генетичну інформацію від ДНК, що міститься у хромосомах, до рибосом, де відбувається синтез білка за чітко визначеною послідовністю амінокислот.
Транспортна РНК (т-РНК) переносить амінокислоти до рибосом, де вони з'єднуються пептидними зв'язками в тій послідовності, яку задає м-РНК.
Рибосомна РНК (р-РНК) безпосередньо бере участь у синтезі
білків у рибосомах.
Рибосоми — це складні надмолекулярні структури, які складаються з чотирьох р-РНК і кількох десятків білків. Рибосоми — це «фабрики» з виробництва білків.
Усі види РНК синтезуються на подвійній спіралі ДНК. Послідовність основ у м-РНК — це генетичний код, який «записується»
■
Глава 24
у вигляді триплетів — послідовностей трьох нуклеотидів. Особливістю генетичного коду є те, що він універсальний для всіх організмів (і для людини, і для вірусів). Наприклад, включення в білок залишку фенілаланіну здійснюється одним і тим же триплетом у таких різних організмах, як кишкова паличка, водорость хламідомонада, морський їжак та людина.
Отже, властивості ДНК та РНК визначаються послідовністю основ у полінуклеотидному ланцюзі та просторовою будовою ланцюга. Послідовність основ містить генетичну інформацію, а залишки моносахаридів та фосфатів відіграють структурну роль (носії основ).
В останні десятиліття наука молекулярна біологія швидко розвивається і шукає відповіді на нові питання. Скажімо, розшифрування генетичного коду дає можливість керувати хімічними процесами в живих організмах. З'явилась генна інженерія, що займається питаннями клонуванням генів.
0 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ ТА ВПРАВИ
1. Які дві групи азотистих основ називають нуклеїновими? Наведіть схеми таутомерних перетворень урацилу та аденіну. В яких тауто-мерних формах ці сполуки є учасниками утворення нуклеозидів?
2. Які продукти утворюються під час часткового та повного гідролізу дезоксирибонуклеїнових кислот? Напишіть схему таутомерії тимі-ну. Яка з таутомерних форм бере участь в утворенні нуклеозиду?
3. Дайте визначення поняття «нуклеозиди». Укажіть ]Ч-глікозидні зв'язки у формулах уридину та аденозину.
4. Дайте визначення поняття «нуклеотиди». Наведіть формули нуклеотидів, які містять залишки урацилу, цитозину, аденіну, гуаніну.
5. За допомогою яких хімічних зв'зків утворюються комплементарні пари нуклеїнових основ? Які нуклеїнові основи є комплементарними?
6. Дайте визначення поняття «нуклеїнові кислоти».
ГЛАВА
ГЛАВА
ЛІПІДИ
І Ліпіди, або жироподібні речовини, — це численна група природних органічних сполук, здебільшого похідних вищих аліфатичних кислот і спиртів.
Ліпіди містяться в усіх клітинах живих організмів і беруть участь у різноманітних фізіологічних та біохімічних процесах. За будовою та властивостями вони дуже неоднорідні. Проте всі ліпіди мають спільну особливість — розчинність у неполярних розчинниках (етері, хлороформі, вуглеводнях).
Різне відношення жироподібних речовин до дії гідролізуючих реагентів покладено в основу поділу ліпідів на вмилювані та не-омилювані.
З
) С
(Змилювані
ЛІПІДИ
Неомилювані
( Прості ) ( Складні 1 1
(Ізопреноїди)
( Простагландини ) ( Жири ) (Воски) І фосфо
ЛІПІДИ
Гліко-ліпіди
До неомилюваних ліпідів належать не здатні до гідролізу ізопреноїди та простагландини. Омилювані ліпіди поділяють на прості ліпіди, гідроліз яких дає суміш тільки спиртів і карбонових кислот (жири та воски) (див. розд. 19.4), і складні ліпіди, що утворюють при гідролізі, крім спиртів і карбонових кислот, також фосфатну кислоту, моно- або олігосахариди (фосфоліпіди та гліко-ліпіди).
Глава 25
Ліпіди
Неомилювані ліпіди
еикозанова кислота
Простагландини.Дослідження простагландинів розгорнулися після 1933 року, коли було виявлено фізіологічно активну речовину біогенного походження, що стимулює непосмуговану мускулатуру та знижує кров'яний тиск. Згодом її було названо простагландином (ПГ), оскільки тоді вважали, що вона утворюється в передміхуровій залозі {§1апа"и1а ргозіаіа). Структуру цього простагландину було визначено 1962 року, а в 1968 році вперше вдалося здійснити його синтез. Сьогодні відомо кілька десятків простагландинів. Усі вони містять карбоксильну групу та 20 атомів Карбону в молекулі, тобто їх можна розглядати як похідні ейкоза-нової кислоти.
простанова кислота
Простагландини мають низку різноманітних фізіологічних і фармакологічних властивостей.
Вчені припускають, що простагландини регулюють обмін речовин у клітинах організму, тобто є «клітинними гормонами». Відомо, що вони впливають на процеси згортання крові, знижують кров'яний тиск і пригнічують виділення шлункового соку. Найважливішою властивістю простагландинів є їх здатність стимулювати скорочення непосмугованих м'язів. Є відомості про можливість використання простагландинів і як бронхолітичних, антивиразко-вих та інших засобів. Механізм дії простагландинів досі не з'ясовано, проте встановлено, що деякі протизапальні засоби гальмують біосинтез і послаблюють фізіологічну дію простагландинів.
Ізопреноїди— це група природних сполук, які вважають продуктами перетворення ізопрену СН2=С(СН3)—СН=СН2.Структуру ізопреноїдів мають деякі лікарські засоби, вітаміни, гормони, ароматичні речовини тощо.
За хімічною класифікацією ізопреноїди належать до різних класів сполук, але їх виділено в одну групу за біогенетичною ознакою, оскільки спільною ланкою в їхніх молекулах є ізопреновий фрагмент. До ізопреноїдів відносять терпени, каротиноїди.
Терпени. Група терпенів включає терпенові вуглеводні та їх ок-сигеновмісні похідні (спирти, альдегіди, кетони), так звані терпе-
ноїди. До терпенових вуглеводнів належать ненасичені вуглеводні складу (С5Н8)„, де я вказує кількість ізопренових фрагментів і коливається від 2 до 8. Ізопрен (я = 1) не прийнято відносити до терпенів.
У природі терпени зустрічаються в складі ефірних масел. На відміну від жирних олій ефірні олії леткі й повністю випаровуються, не залишаючи масних плям. Ефірні масла — джерела запахів різноманітних рослин (троянда, м'ята, лаванда, апельсин, лимон та ін.). Аромат суниць, наприклад, зумовлений вмістом в ефірній олії майже 50 різних терпенів.
В основі будови молекул більшості моноциклічних терпено'щів лежить скелет ментану,який включає 2 фрагменти ізопрену.
Ментан здобувають гідруванням цимолу:
6Н;№
сн н,с сн,
сн,
Н,С
Сн,
ментан, 1 -ізопропіл-4-метилциклогексан
и-цимол, п-ізопропілметилбензен
Ментан — рідина, розчинна в етанолі, нерозчинна у воді. До похідних ментану належить терпенощ ментол - основний компонент ефірного масла м'яти перцевої.
У промисловості ментол здобувають алкілуванням .м-крезолу з подальшим гідруванням тимолу, що утворився.
СН,
СН
СН3
:сн—он, н+
он
[Н], №
ОН
.СН
хн,
сн,
\
он
Н,С
ментол
тимол
н3с
лі-крезол
Ментол— летка кристалічна речовина (т. пл. 41—43 °С) із сильним м'ятним запахом, холодить ротову порожнину, викликає ха-
Глава 25
Ліпіди
Н3С СН3
рактерне почуття холоду та поколювання при втиранні в шкіру. Виявляє хімічні властивості вторинних спиртів.
Застосовується як слабкий антисептичний, заспокійливий та знеболювальний засіб у складі цілого ряду лікарських препаратів (бороментол, пектусин та інші), ЗО %-вий розчин ментолу в його естері з ізовалеріановою кислотою — ментилізовалеріанат — використовують при стенокардії як судинозвужувальний препарат під назвою «валідол».Завдяки приємному запаху та смаку ментол широко застосовують у кондитерський та парфумерно-косметичній промисловості.
Камфора— представник більш складних терпенів. Це безбарвна кристалічна речовина (т. пл. 178 °С) з різким характерним запахом, летка (сублімується), розчинна в етанолі, малороз-О чинна у воді. За хімічними властивостями камфора — типовий кетон.
бромо-камфора
Розчини камфори застосовують зовнішньо як антисептичні та місцевоподразнювальні засоби. При підшкірному введенні камфора стимулює дихальний та судиноруховий центри, обмінні процеси в серцевому м'язі, запобігає утворенню тромбів тощо. Камфора є вихідною речовиною для синтезу бромокамфори — заспокійливого засобу при захворюваннях центральної нервової системи. Поліпшує серцеву діяльність. Каротиноїди— група природних пігментів, подібних за будовою до каротину (пігмент уперше було виділено з моркви). Молекули каротиноїдів мають у своєму складі значну кількість спряжених подвійних зв'язків, чим, власне, і пояснюється їхнє забарвлення. Подвійні зв'язки мають /я/?аяоконфігурацію. Більшість каротиноїдів належать до тетратерпенів, бо їх молекули містять 40 атомів Карбону. Каротиноїди розчинні в рослинних і тваринних жирах, зазвичай легко окиснюються киснем повітря.
Каротин— пігмент жовто-червоного кольору, міститься в моркві, молоці, вершковому маслі, листі рослин і багатьох плодах. Яскраве забарвлення листя восени зумовлене наявністю каротину, який стає помітним внаслідок руйнування зеленого пігменту — хлорофілу.
Усі ізомери каротину є попередниками вітамінів групи А, тобто провітамінами. Під впливом ферментів в організмі вони розще-
і3\^ (_-гі3 СН3 а-каротин
плюються за місцем зв'язку С15—С16 з утворенням вітаміну А, — ретинолу.
Вітамін Аі (ретинол) міститься тільки в продуктах тваринного походження. Багатими його джерелами є вершкове масло, яєчний жовток, печінка тварин і морських риб, риб'ячий жир. У рослинах вітамін А! не зустрічається.
н3с ,сн
За фізичними властивостями це кристалічна речовина жовтого кольору, т. пл. 63—64 °С, легко розчинна в жирах.
Вітамін А, (ретинол)
Вітамін А! вважається фактором росту. При нестачі його в їжі спостерігається затримка росту, схуднення, знижується опірність організму до інфекційних захворювань. Ранньою ознакою А-віта-мінної недостатності є послаблення сутінкового зору (куряча сліпота).
ЗМІСТ
Передмова.................................................................................................................... З
Глава 1. Вступ до органічної хімії.............................................................................. 4