Задача № 1. Приведите структуры гетероциклических оснований, которые входят в состав нуклеиновых кислот. Какие таутомерные превращения возможны для урацила и гуанина? Для каждого из них напишите комплементарное взаимодействие с соответствующими основаниями.
Эталон решения. В состав нуклеиновых кислот входят гетероциклические основания пиримидинового ряда – урацил (в РНК), тимин (в ДНК) и цитозин как в ДНК, так и в РНК, и пуринового ряда, – аденин, гуанин (в ДНК и РНК). Их также называют нуклеиновыми основаниями.
Урацилу, цитозину, тимину и гуанину характерна лактам-лактимная таутамерия обусловленная наличием N-H кислотности.
Стабильнее лактамная форма, поэтому в состав нуклеиновых кислот основания входя в лактамной форме.
Комплементарное взаимодействие между двумя нуклеиновыми основаниями обусловлено возникновением водородных связей между атомами кислорода оксигруппы одного основания и между атомами водорода аминогруппы других оснований; между атомом водорода пирольного азота одного основания и парой электронов пиридинового азота другого основания. Из двух оснований, образующих комплементарную пару, одно основание пуринового, второе пиримидинового ряда:
Плоская конфигурация комплементарных пар позволяет им укладываться одна над другой подобно стопке пластин.
Задача № 2. Напишите структуру N-гликозидов: нуклеозидов аденозина и дезоксицитидина. Напишите уравнение гидролиза аденозина как характерную реакцию для гликозидной связи.
Эталон решения. Нуклеозидами называются N-гликозиды, образованные нуклеиновыми основаниями с рибозой или дезоксирибозой. В зависимости от природы углеводного остатка названия нуклеозида образуется от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с окончанием –идин для пиримидиновых и –озин для пуриновых нуклеозидов.
|
|
Цитозин + дезоксирибоза ® дезоксицитидин
Аденин + рибоза ® аденозин
Образование гликозидной связи осуществляется для пиримидиновых оснований C1-N1, для пуриновых – С1-N 9
Нуклеозиды расщепляются в кислой среде, но устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде.
Задача № 3. Приведите схему получения аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая является движущей силой биохимических процессов в организме.
Эталон решения. Нуклеотиды – это фосфорилированные нуклеозиды. Обычно в нуклеозидах этирифицируется гидроксильная группа при С-5' пентозного остатка. Это реакция нуклеофильного замещения.
 |
Образовалось новое соединение со сложноэфирной связью – нуклеотид: аденозин-5'-монофосфат (адениловая кислота, АМФ). При построении АТФ из АМФ образуются макроэргические связи и накапливается энергия (31,2 
)
 |
При гидролизе энергия освобождается и используется в организме для других энергетических процессов. Остатки фосфорной кислоты фосфорирования других соединений.
Задача № 4. Напишите схему превращения молочной кислоты в пировиноградную с участием кофермента НАД+.
Эталон решения. Нуклеотиды входят в состав многих коферментов. Примером может быть никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и связанный с ним никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), осуществляющие перенос водорода.
|
|
НАД+ R = H
НАДФ+ R = PO3H2
Превращение молочной кислоты к пировиноградную при участии НАД+ служит примером реакции окисления – дегидрирования. Происходит отщепление от субстрата двух атомов водорода. Один из них – гидрид – ион реагирует с катионом пиридиния, второй в виде протона остается в окружающей среде.
Восстановленной кофермент НАДН потом может участвовать в окислительно- восстановительной реакции в качестве донора электронов.
Задача № 5. Дайте определение первичной структуры нуклеиновых кислот. Охарактеризуйте строение цепи ДНК с последовательностью нуклеотидов дА-дЦ-дГ-Т.
Эталон решения. Первичная структура нуклеиновой кислоты – последовательность нуклеотидов (порядок соединения нуклеотидов). Образование полинуклеотидной цепи осуществляется за счет связывания фосфатными остатками ОН-групи при С-3’ остатка нуклеотида. Из таких фрагментов строятся цепи ДНК. Принцип построения первичной структуры РНК такой же за двумя исключениями: пентозним остатком является Д-рибоза, а в наборе гетероциклических оснований не тимин, а урацил.
В последовательности нуклеотидов ДНК зашифрована генетическая информация, которая при делении клетки должна передаваться дальше. Это осуществляется путем точного воссоздания (репликации) молекул ДНК. Сначала двойные цепи двойной спирали начинают расщепляться и на протяжении каждой из них образуется новая цепь за счет комплементарности.
Таким образом, из одной молекулы ДНК образуются две тождественные исходной и друг другу. Аналогично на деспирализующейся молекуле ДНК происходит репликация молекул И-РНК, последовательность нуклеотидов которой определяет аминокислотный состав белков, которые синтезируются в организме.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задача № 6. Чем определяется существование вторичной структуры ДНК? В чем заключается отличие вторичной структуры ДНК и РНК?
Эталон решения. Вторичная структура ДНК представляет собой спираль, которая состоит из двух переплетенных цепей нуклеотидов. Полный виток двуспиральной цепи ДНК включает 10 мононуклеотидов. Структура двойной спирали поддерживается Ван-дер-Ваальсовыми силами притягивания, которые действуют между комплементарными основами: аденин (А) – тимин (Т) и гуанин (Г) – цитозин (Ц). В одном направлении вдоль спирали связи между углеродными и фосфатными остатками будут 3’-5’, а во второй цепи спирали – 5’-3’, то есть они антипараллельны. Комплементарность оснований лежит в основе закономерностей, которым подчиняится остатки нуклеотидов ДНК разного происхождения, которые сформулированы Чаргаффом:
- количество пуриновых оснований равняется количеству пиримидиновых оснований, то есть (А+Г)=(Ц+Т);
- количество аденина равняется количеству тимина (Т=А), количество гуанина равняется количеству цитозина а (Г=Ц);
- количество оснований, которые содержат аминогруппу в положении 4 пиримидинового и в положении 6 пуринового циклов равняется количеству оснований, которые содержат в этих же положениях оксогруппу: А+Ц=Т+Г
Для РНК правила Чаргоффа не выполняются или выполняются с некоторым приближением. Относительно вторичной структуры транспортной РНК наиболее достоверная структура- «лист клевера». Менее известны вторичные структуры матричных и рибосомальных РНК.
 |
Вопросы и упражнения
№1
1. Приведите строение пиримидиновых оснований, которые входят в состав нуклеиновых кислот, и назовите их.
2. Приведите строения схему неполного гидролиза 5-адениловой кислоты протекающей по сложноэфирной связи. Укажите условия.
№ 2
1. Приведите строение пуринових оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот. Назовите их. Для одного основания напишите таутомерные формы.
2. Приведите схему полного гидролиза 5¢-цитидиловой кислоты. Назовите продукты реакции.
№ 3
1. Приведите строение кофермента НАД+. Приведите схемы химических реакций, которые лежат в основе действия этого кофермента в биологических системах.
2. Напишите схему реакции гидролиза нуклеотида, если известно, что конечными продуктами будут фосфатная кислота и тимин. Назовите исходный продукт.
№ 4
1. Приведите строение нуклеиновых оснований, которые входят в состав ДНК. Назовите их.
2. Напишите уравнение реакции гидролиза АТФ до АМФ
№ 5
1. Приведите строение тимина, гуанина и комплементарных им оснований.
2. Приведите схему химических реакций, лежащих в основе действия кофермента НАД+.
№ 6
1. Приведите строение нуклеиновых основ, которые входят в состав РНК. Назовите их.
2. Приведите строение соединения, при нагревании которого в присутствии минеральной кислоты были получены фосфорная кислота, дезоксирибоза и гуанин в соотношении 1:1:1. Назовите соединение. Укажите гликозидную и сложноэфирную связи.
№ 7
1. Приведите строение тимина, гуанина и комплементарных им оснований.
2. Напишите схему реакции гидролиза нуклеотида, если известно, что конечными продуктами является фосфатная кислота и тимин (1:1). Назовите исходный продукт.
№ 8
1. Приведите строение и лактам-лактимную таутомерию пиримидиновых оснований.
2. Напишите схему реакции получения дезоксигуаниловой кислоты из соответствующего нуклеозида. Укажите сложноэфирную связь.
№ 9
1. Приведите строение тимина, гуанина, и комплементарных им оснований.
2. Напишите схему получения АТФ.
№ 10
1. Напишите таутомерные формы урацила, тимина. Дайте название.
2. Приведите схему дефосфолирования 5¢-дезоксиадениловой кислоты.
№ 11
1. Приведите строение комплементарных оснований УА и ЦГ.
2. Напишите схему полного гидролиза 5'-тимидиловой кислоты.
№ 12
1. Приведите строение N-гликозидов рибозы и дезоксирибозы с нуклеиновыми основаниями, напишите реакцию гидролиза.
2. Охарактеризуйте таутомерные превращения тимина. Какая из форм преобладает?
№ 13
1. Напишите строение нуклеотидов – дезоксиадениловой кислоты, тимидиловой кислоты.
2. Приведите строение АТФ и схемы химических реакций, которые являются основой биологического действия вещества
№ 14
1. Наведите строение дезоксигуаниловой и дезоксицитидиловой кислоты, которые входят в состав ДНК.
2. Приведите схему реакции, которая является основой биологического действия НАД+.