Введение в биологию (VIIa)
Тема VII
НУКЛЕОТИДЫ (продолжение)
Соединение, состоящее из остатков азотистого основания и сахара, называется нуклеозидом. Сахаром, входящим в нуклеозиды, по умолчанию является рибоза, но иногда - дезоксирибоза (как мы помним, они отличаются друг от друга всего на один атом кислорода). Азотистое основание соединяется с рибозой через 1'-углерод, от которого отщепляется гидроксил (сиречь группа -OH). Одновременно от одного из атомов азота, входящих в основание, отщепляется водород (-H), в результате выделяется вода (H-O-H), а между азотистым основанием и сахаром замыкается ковалентная связь. Так и образуется нуклеозид. Названия нуклеозидов являются производными от названий входящих в них азотистых оснований. Пять интересующих нас сейчас нуклеозидов - уридин, тимидин, цитидин, аденозин, гуанозин. Если в качестве сахара в данный нуклеозид входит не рибоза, а дезоксирибоза, то к его названию прибавляется приставка "дезокси-" (но иногда ее опускают, если по контексту и так понятно, о чем идет речь). На картинке для примера показано четыре нуклеозида, все остальные устроены по их образцу.
Теперь мы наконец знаем, почему, собственно, атомы углерода в составе рибозы и дезоксирибозы обозначаются не просто цифрами, а цифрами со штрихами. Дело как раз в том, что именно эти сахара обычно входят в состав нуклеозидов. А в любом нуклеозиде есть еще и азотистое основание, атомы которого имеют свою собственную нумерацию. Штрихи нужны, чтобы никто не спутал номера атомов сахара с номерами атомов азотистого основания.
Аденозин - очень распространенный нуклеозид, интересный, в частности, тем, что является одним из нейротрансмиттеров, то есть веществ, передающих сигналы между нервными клетками. Именно на рецепторы аденозина действует кофеин - вещество, относящееся к пуринам, то есть к той же группе соединений, что и входящий в состав аденозина аденин (последний на формуле обведен красным).
Строго говоря, кофеин является блокатором аденозиновых рецепторов, то есть интегральных белков, которые сидят в наружной мембране нервной клетки и узнают молекулы аденозина по принципу ключа и замка - примерно так же, как ферменты узнают свой субстрат. Молекула кофеина связывается с тем же участком белка-рецептора, с которым должен связаться адениновый остаток аденозина, и "застревает" в нем, после чего никакой аденозин уже не может туда войти. Это очень похоже на явление конкурентного ингибирования ферментов, которое мы уже обсуждали. Аденозин как сигнальное вещество обладает преимущественно тормозным (попросту говоря, "успокаивающим") действием на нервные клетки, поэтому блокирование его эффекта кофеином вызывает, наоборот, возбуждение.
Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и введем одно важное понятие, с которым мы в общем-то уже знакомы. Существует химическая реакция под названием фосфорилирование - присоединение фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образованием сложного эфира фосфорной кислоты (см. картинку). Мы уже сталкивались с этой реакцией, когда говорили о фосфолипидах - там фосфорилированию подвергался глицерин. На самом деле объектами фосфорилирования могут быть самые разные молекулы, имеющие гидроксильные группы: белки (особенно такие, где есть серин, треонин или тирозин - фосфат присоединяется именно к этим аминокислотным остаткам), спирты (например, тот же глицерин) и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфорилирование - это универсальный биохимический "оператор", способный предсказуемо менять свойства самых разных молекул, начиная с белков. Есть специальная большая группа ферментов, занимающихся только фосфорилированием - они называются киназами.
В картинке, которая здесь иллюстрирует понятие фосфорилирования, есть несколько намеренных упрощений. Во-первых, фосфорная кислота показана в неионизированном виде - так удобнее рисовать реакцию, но надо иметь в виду, что на самом деле фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то есть отдает протоны. Во-вторых, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, остаток фосфата не приходит в свободном виде из раствора, а передается от специального переносчика. Так что приведенная схема - предельно идеализированная, но сейчас нам такая как раз подойдет.
Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом. Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, происходит по 5-му атому углерода сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Для простоты часто говорят, что нуклеотид - это молекула, состоящая из остатков пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), азотистого основания и фосфата. Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = название нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно, потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно фосфорилирующие друг друга - всего их бывает до трех штук. Если фосфат один, то числительное "моно", если два - "ди", если три - соответственно, "три". Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар - не рибоза, а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка "дезокси". Зная эти правила, нетрудно понять, что нуклеотид, изображенный для примера на картинке, называется уридинмонофосфат (УМФ). Названия всех остальных нуклеотидов образуются по такому же принципу.
Один из самых интересных нуклеотидов - аденозинтрифосфат (АТФ). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название "АТФ" используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ находится в диссоциированном виде, так что фактически это не кислота, а соль.
АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную фосфорную кислоту. При этом высвобождается относительно много энергии, которая может быть использована для любых внутриклеточных процессов, таких, например, как синтез полимеров, транспорт или мышечное сокращение. При превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, запасается в виде последнего. АТФ - основная “энергетическая валюта” клетки. Тут, правда, надо заметить, что основная - не значит единственная; источниками энергии могут быть и другие нуклеозидтрифосфаты, а могут быть и не только они. Но, во всяком случае, АТФ как источник энергии для живых клеток очень важен.
Примерно так выглядит схема оборота АТФ в живой клетке. Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энергию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти названия ни в коем случае не надо путать - они относятся к строго противоположным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсчетам, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ, но он не накапливается, а почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве "топлива". Как запасное вещество АТФ не используется - его неудобно хранить. Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ - меньше одной минуты.
Вот еще одно изображение молекулы АТФ, отличающееся от предыдущего двумя деталями. Во-первых, тут показана ионизация фосфатов. Это отнюдь не является каким-то формальным уточнением ради уточнения: для физиологии клетки на самом деле очень важен тот факт, что многие молекулы, участвующие в обмене веществ, в растворе заряжены именно отрицательно (а не положительно). АТФ - яркий пример такой молекулы. Во-вторых, некоторые связи в молекуле АТФ тут обозначены не прямой черточкой, а волнистой (~). Это - предложенное Фрицем Липманом (Fritz Albert Lipmann) обозначение тех ковалентных связей, при разрыве которых, собственно, и выделяется большая по биохимическим меркам энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими.
Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в еще одно интересное соединение - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы (3-м и 5-м). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо более сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важная сигнальная молекула, служащая посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между клетками.
НУКЛЕОТИДЫ (продолжение)
Соединение, состоящее из остатков азотистого основания и сахара, называется нуклеозидом. Сахаром, входящим в нуклеозиды, по умолчанию является рибоза, но иногда - дезоксирибоза (как мы помним, они отличаются друг от друга всего на один атом кислорода). Азотистое основание соединяется с рибозой через 1'-углерод, от которого отщепляется гидроксил (сиречь группа -OH). Одновременно от одного из атомов азота, входящих в основание, отщепляется водород (-H), в результате выделяется вода (H-O-H), а между азотистым основанием и сахаром замыкается ковалентная связь. Так и образуется нуклеозид. Названия нуклеозидов являются производными от названий входящих в них азотистых оснований. Пять интересующих нас сейчас нуклеозидов - уридин, тимидин, цитидин, аденозин, гуанозин. Если в качестве сахара в данный нуклеозид входит не рибоза, а дезоксирибоза, то к его названию прибавляется приставка "дезокси-" (но иногда ее опускают, если по контексту и так понятно, о чем идет речь). На картинке для примера показано четыре нуклеозида, все остальные устроены по их образцу.
Теперь мы наконец знаем, почему, собственно, атомы углерода в составе рибозы и дезоксирибозы обозначаются не просто цифрами, а цифрами со штрихами. Дело как раз в том, что именно эти сахара обычно входят в состав нуклеозидов. А в любом нуклеозиде есть еще и азотистое основание, атомы которого имеют свою собственную нумерацию. Штрихи нужны, чтобы никто не спутал номера атомов сахара с номерами атомов азотистого основания.
Аденозин - очень распространенный нуклеозид, интересный, в частности, тем, что является одним из нейротрансмиттеров, то есть веществ, передающих сигналы между нервными клетками. Именно на рецепторы аденозина действует кофеин - вещество, относящееся к пуринам, то есть к той же группе соединений, что и входящий в состав аденозина аденин (последний на формуле обведен красным).
Строго говоря, кофеин является блокатором аденозиновых рецепторов, то есть интегральных белков, которые сидят в наружной мембране нервной клетки и узнают молекулы аденозина по принципу ключа и замка - примерно так же, как ферменты узнают свой субстрат. Молекула кофеина связывается с тем же участком белка-рецептора, с которым должен связаться адениновый остаток аденозина, и "застревает" в нем, после чего никакой аденозин уже не может туда войти. Это очень похоже на явление конкурентного ингибирования ферментов, которое мы уже обсуждали. Аденозин как сигнальное вещество обладает преимущественно тормозным (попросту говоря, "успокаивающим") действием на нервные клетки, поэтому блокирование его эффекта кофеином вызывает, наоборот, возбуждение.
Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и введем одно важное понятие, с которым мы в общем-то уже знакомы. Существует химическая реакция под названием фосфорилирование - присоединение фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образованием сложного эфира фосфорной кислоты (см. картинку). Мы уже сталкивались с этой реакцией, когда говорили о фосфолипидах - там фосфорилированию подвергался глицерин. На самом деле объектами фосфорилирования могут быть самые разные молекулы, имеющие гидроксильные группы: белки (особенно такие, где есть серин, треонин или тирозин - фосфат присоединяется именно к этим аминокислотным остаткам), спирты (например, тот же глицерин) и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфорилирование - это универсальный биохимический "оператор", способный предсказуемо менять свойства самых разных молекул, начиная с белков. Есть специальная большая группа ферментов, занимающихся только фосфорилированием - они называются киназами.
В картинке, которая здесь иллюстрирует понятие фосфорилирования, есть несколько намеренных упрощений. Во-первых, фосфорная кислота показана в неионизированном виде - так удобнее рисовать реакцию, но надо иметь в виду, что на самом деле фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то есть отдает протоны. Во-вторых, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, остаток фосфата не приходит в свободном виде из раствора, а передается от специального переносчика. Так что приведенная схема - предельно идеализированная, но сейчас нам такая как раз подойдет.
Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом. Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, происходит по 5-му атому углерода сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Для простоты часто говорят, что нуклеотид - это молекула, состоящая из остатков пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы), азотистого основания и фосфата. Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = название нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно, потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно фосфорилирующие друг друга - всего их бывает до трех штук. Если фосфат один, то числительное "моно", если два - "ди", если три - соответственно, "три". Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар - не рибоза, а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка "дезокси". Зная эти правила, нетрудно понять, что нуклеотид, изображенный для примера на картинке, называется уридинмонофосфат (УМФ). Названия всех остальных нуклеотидов образуются по такому же принципу.
Один из самых интересных нуклеотидов - аденозинтрифосфат (АТФ). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название "АТФ" используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ находится в диссоциированном виде, так что фактически это не кислота, а соль.
АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную фосфорную кислоту. При этом высвобождается относительно много энергии, которая может быть использована для любых внутриклеточных процессов, таких, например, как синтез полимеров, транспорт или мышечное сокращение. При превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, запасается в виде последнего. АТФ - основная “энергетическая валюта” клетки. Тут, правда, надо заметить, что основная - не значит единственная; источниками энергии могут быть и другие нуклеозидтрифосфаты, а могут быть и не только они. Но, во всяком случае, АТФ как источник энергии для живых клеток очень важен.
Примерно так выглядит схема оборота АТФ в живой клетке. Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энергию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти названия ни в коем случае не надо путать - они относятся к строго противоположным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсчетам, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ, но он не накапливается, а почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве "топлива". Как запасное вещество АТФ не используется - его неудобно хранить. Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ - меньше одной минуты.
Вот еще одно изображение молекулы АТФ, отличающееся от предыдущего двумя деталями. Во-первых, тут показана ионизация фосфатов. Это отнюдь не является каким-то формальным уточнением ради уточнения: для физиологии клетки на самом деле очень важен тот факт, что многие молекулы, участвующие в обмене веществ, в растворе заряжены именно отрицательно (а не положительно). АТФ - яркий пример такой молекулы. Во-вторых, некоторые связи в молекуле АТФ тут обозначены не прямой черточкой, а волнистой (~). Это - предложенное Фрицем Липманом (Fritz Albert Lipmann) обозначение тех ковалентных связей, при разрыве которых, собственно, и выделяется большая по биохимическим меркам энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими.
Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в еще одно интересное соединение - циклический аденозинмонофосфат (цАМФ), где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы (3-м и 5-м). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо более сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важная сигнальная молекула, служащая посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между клетками.