Нуклеиновые кислоты

Содержание
Введение 3
Основная часть 3
1. Строение циклического аденозинмонофосфата и циклического
гуанозинмонофосфата. 4
2. Синтез ц-АМФ и ц-ГМФ в ответ на связывание гормона с рецептором 6
3. Внутриклеточные биологические эффекты опосредованного
воздействия циклических нуклеотидов (влияние на транскрипцию РНК и
синтез ферментов, мышечное сокращение, нервное возбуждение,
управление действием лекарств). 9
4. Лекарственные средства, влияющие на уровень ц-АМФ и ц-ГМФ 12
Винпоцетин 12
Фофсфокреатин (Неотон) 13
Изофосфен 15
Заключение 17
Список литературы 18

Введение

Термин нуклеиновые кислоты был предложен немецким химиком Р. Альтманом в 1889г после того, как эти соединения были открыты в 1868г. швейцарским врачом Ф. Мишером. Он экстрактировал клетки гнойного пневмококка разбавленной соляной кислотой в течение нескольких недель и получил в остатке почти чистый ядерный материал, назвав его нуклеином (от лат. nucleus - ядро). По своим свойствам нуклеин резко отличался от белков: он был кислым, не содержал серы, было много фосфора. Нуклеин хорошо растворялся в щелочах, но не растворялся в разбавленных кислотах.
Впоследствии из животных, растительных объектов и микроорганизмов были выделены разные нуклеиновые кислоты. Их наилучшим источником оказались клетки, имеющие большие ядра.
Биологическая функция нуклеиновых кислот оставалась неизвестной в течение почти столетия. Только в 40-х гг. XX в. О.Т. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти установили, что эти биополимеры ответственны за хранение, репликацию (воспроизведение), транскрипцию (передачу) и трансляцию (воспроизведение на белок) генетической (наследственной) информации. В 1953г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик сообщили о расшифровке молекулярной структуры ДНК, биохимия и вообще биология начала отсчет новой эры познания живой материи. Фактически изучение нуклеиновых кислот стало началом целой плеяды открытий в биологии и химии.
Основная часть
Химически нуклеиновые кислоты представляют собой биополимеры, состоящие из мономерных звеньев - нуклеотидов. Каждый нуклеотид содержит три различных компонента: азотистое (пуриновое или пиримидиновое) основание, моносахарид пентозу (рибозу или дезоксирибозу) (Rb), остаток фосфорной кислоты (P). Как показал специфический гидролиз (кислотный, щелочной), а также гидролиз ферментами-нуклеазами, эти компоненты соединены друг с другом в такой последовательности: азотистое основание - пентоза - фосфат. Соседние нуклеотиды связаны друг с другом посредством эфирной связи между моносахаридом и фосфатом другого нуклеотида.
Поскольку остаток пентозы и фосфат соединены эфирной связью, то при образовании полинуклеотидной цепи связь Rb-P-Rb называется фосфодиэфирной.
Азотистые основания не участвуют в образовании никаких других ковалентных связей, помимо связывающей их с остатками пентозы сахарофосфатной цепи. Именно последовательность азотистых оснований в полинуклеотидной цепи определяет уникальную структуру и специфическую функцию молекул нуклеиновых кислот.
Гидролиз нуклеиновых кислот, выделенных из ядер клеток, показал, что они состоят из пуриновых (аденина, гуанина) и пиримидиновых (цитозина, тимина) оснований, 2-дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Эта нуклеиновая кислота была названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Из дрожжей была получена другая по химическому составу нуклеиновая кислота, содержащая вместо тимина урацил и вместо дезоксирибозы рибозу. Ее назвали рибонуклеиновой кислотой (РНК).
Строение циклического аденозинмонофосфата и циклического гуанозинмонофосфата.Циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) — производное АТФ, выполняющее в организме роль вторичного посредника, использующегося для внутриклеточного распространения сигналов некоторых гормонов (например, глюкагона или адреналина), которые не могут проходить через клеточную мембрану. Превращает ряд инертных белков в ферменты (цамф-зависимые протеинкиназы), под действием которых происходит ряд биохимических реакций (проведение нервного импульса).

3'5'-цAMФ синтезируется аденилатциклазой в ответ на некоторые гормональные стимуляторы; действует как вторичный посредник при клеточном гормональном контроле путём стимуляции протеинкиназ. цАМФ является аллостерическим эффектором протеинкиназ A и ионных каналов. Синтезируется цАМФ мембранными аденилатциклазами (семейство ферментов, катализирующих реакцию циклизации АТФ с образованием цАМФ и неорганического пирофосфата). Расщепление цАМФ с образованием АМФ катализируется фосфодиэстеразами. Ингибируются цАМФ только при высоких концентрациях метилированных производных ксантина, например, кофеина. Аденилатциклазы активируются G-белками (активность которых в свою очередь зависит от метаботропных рецепторов, связанных с G-белками) .Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) - это циклическая форма нуклеотида, образующаяся из гуанозинтрифосфата (GTP) ферментом гуанилатциклазой. Образование стимулируется ацетилхолином.

· цГМФ вовлечен в регуляцию биохимических процессов в живых клетках в качестве вторичного посредника (вторичного мессенджера). Характерно, что многие эффекты цГМФ прямо противоположны цАМФ.
· цГМФ активирует G-киназу и фосфодиэстеразу, гидролизующую цАМФ .· цГМФ принимает участизе в регуляции клеточного цикла . От соотношения цАМФ/цГМФ зависит выбор клетки: прекратить деление (остановиться в G0 фазе) или продолжить, перейдя в фазу G1.
· цГМФ стимулирует пролиферацию клеток (деление), а цАМФ подавляет
Синтез ц-АМФ и ц-ГМФ в ответ на связывание гормона с рецепторомКакую же роль играют вышеупомянутые нуклеотиды в механизме передачи гормональных сигналов через мембранные рецепторы?
Гормоны (первичные посредники) связываются с рецепторами на поверхности клеточной мембраны и образуют комплекс гормон-рецептор. Этот комплекс трансформирует сигнал первичного посредника путем изменения концентрации внутри клетки вторичных посредников. Вторичными посредниками являются: циклический АМФ (цАМФ), цГМФ, инозитолтрифосфат (ИФ3), диацилглицерол (ДАГ); Са2+, NO (оксид азота II).
Аденилатциклазная система.
Гормоны, взаимодействие которых с рецептором клетки-мишени приводит к образованию цАМФ действуют через систему, включающую: белок-рецептор, G-белок и фермент аденилатциклазу.
Известно более 200 различных G-белков. В отсутствие гормона G-белок связан с ГДФ и неактивен. Образование комплекса гормон-рецептор приводит к конформационным изменениям G-белка, замене ГДФ на ГТФ и активации G-белка. Существуют GS-стимулирующий и GI-ингибирующий аденилатциклазу белки.
Последовательность событий, приводящих к изменению активности аденилатциклазы:
1. связывание гормона с рецептором;
2. комплекс гормон-рецептор взаимодействует с G-белком, изменяя его конформацию;
3. вследствие изменения конформации G-белка происходит замена ГДФ на ГТФ;
4. комплекс GS-белок•ГТФ активирует аденилатциклазу (комплекс GI-белок•ГТФ ингибирует аденилатциклазу);
5. активация аденилатциклазы приводит к увеличению скорости образования цАМФ из АТФ.

Далее образовавшийся под действием аденилатциклазы цАМФ активирует протеинкиназу А. Активированная протеинкиназа А фосфорилирует ферменты и другие белки, что сопровождается изменением функциональной активности белков-ферментов (активацией или ингибированием).
Протеинкиназа – это внутриклеточный фермент, который может существовать в двух формах. В отсутствие цАМФ протеинкиназа представлена тетрамером, состоящим из двух каталитических (2С) и двух регуляторных (2R) субъединиц (неактивный фермент). В присутствии цАМФ протеинкиназный комплекс обратимо диссоциирует на одну 2R-субъединицу и две свободные каталитические субъединицы С. Субъединицы С обладают ферментативной активностью.
Гуанилатциклазная система.
Эта система, генерирующая цГМФ как вторичный посредник, сопряжена с гуанилатциклазой. Этот фермент катализирует реакцию образования цГМФ из ГТФ (подобно аденилатциклазе). Молекулы цГМФ могут активировать транспортные системы мембран клеток или активируют цГМФ-зависимую протеинкиназу G, которая участвует в фосфорилировании других белков в клетке.

Циклические нуклеотиды запускают каскады реакций аденилатциклазного или гуанилатциклазного механизмов регуляции активности ферментов. Одна молекула гормона, активирующая рецептор, может «включать» несколько G-белков. Каждый из них в свою очередь активирует несколько молекул аденилатциклазы с образованием тысяч молекул цАМФ или цГМФ. Образующийся вторичный посредник усиливает сигнал в тысячу раз. Суммарное усиление сигнала равно 106 – 107 раз.
Снятие гормонального сигнала достигается уменьшением концентрации вторичного посредника. Реакции превращения цАМФ или цГМФ в неактивные метаболиты АМФ или ГМФ катализируют ферменты фосфодиэстеразы.
Внутриклеточные биологические эффекты опосредованного воздействия циклических нуклеотидов (влияние на транскрипцию РНК и синтез ферментов, мышечное сокращение, нервное возбуждение, управление действием лекарств).Работа Эрла Сазерленда , по выяснению механизма действия адреналина и глюкагона га распад гликогена и образование глюкозы, привела к созданию концепции о роли цАМФ как второго посредника в механизме действия некоторых гормонов. Первым посредником является сам гормон. Сущность этой концепции заключается в следующем.
1.Плазматические мембраны клеток содержат рецепторы гормонов.
2. Взаимодействие гормона с его специфическим рецептором на плазматической мембране ведет к стимуляции аденилатциклазы, также связанной с плазматической мембраной.
3.В результате активации аденилатци клазы в клетке увеличивается содержание цАМФ.
4. Действие цАМФ проявляется внутри клетки и состоит в изменении скорости одного или более процессов.
Важная особенность этой гипотезы второго посредника состоит в том, что она не предполагает проникновения гормона в клетку. Действие самого гормона ограничивается клеточной мембраной. Биологический эффект гормона опосредован действием цАМФ внутри клетки; непосредственного действия сам гормон не оказывает. Обоснованность этой концепции была проверена с использованием целого ряда экспериментальных критериев, а именно:
1. Аденилатциклазу клетки должны стимулировать те гормоны, которые дествуют на эту клетку как на мишень. Гормоны, не вызывающие специфического биологического ответа данной клетки, не должны повышать в ней активности этого фермента.
2. Концентрация цАМФ в клетках-мишенях должна изменяться пропорционально биологическому ответу этих клеток на гормональную стимуляцию, т.е. она должна проявлять временную и количественную зависимость от концентрации гормона.
3. Ингибиторы фосфодиэстеразы, например теофиллин или кофеин, должны действовать синергично с теми гормонами, эффект которых опосредован вторым посредником.
4. Добавление цАМФ или родственного ему соединения к клеткам-мишеням должно имитировать биологическое действие гормона. (На практике цАМФ в таких опытах не используется, так как он плохо проникает в клетки; однако менее полярные производные цАМФ, в частности дибутирил- цАМФ, проникают в клетки и оказывают свое действие.)
Проведенные опыты показали, что циклический AMP является вторым посредником при действии не только адреналина и глюкагона, но и многих других гормонов. цАМФ оказывает влияние на исключительно большое число клеточных процессов. Так, под действием этого соединения увеличивается распад накопленных запасов топливных веществ, повышается выделение соляной кислоты слизистой желудка, происходит дисперсия пигментных гранул меланина, уменьшается агрегация тромбоцитов.
Специфические биологические эффекты, вызванные увеличением внутриклеточного содержания циклических нуклеотидов, зависят от генетической экспрессии соответствующего типа клетки, т.е. потенциальных субстратов, подлежащих фосфорилированию. Например, повышение содержания цАМФ в печеночных клетках приводит к гликогенолизу и глюконеогенезу, а в клетках коры надпочечников - к увеличению синтеза стероидных гормонов. Следует отметить при этом явление амплификации (прогрессивного усиления) сигнала, возникшего при взаимодействии лиганда с рецептором. Однако, эффекты циклических нуклеотидов регулируются в своей выраженности и продолжительности не только количеством лиганда и свойствами рецептора, но и механизмом инактивации циклических нуклеотидов: она обеспечивается специальными ферментами - фосфодиэстеразами, вызывающими превращение циклических нуклеотидов в обычные (нециклические). Прекращению эффектов цАМФ и цГМФ способствует также их удаление из клетки.
Циклический АМФ - внутриклеточный медиатор для многих гормонов, включая адренокортикотропный, антидиуре­тический, меланоцитостимули­рующий, паратиреоидный, кальцитонин и др., а также для β-адренергических катехоламинов. Через цГМФ оказывают свое действие холинергические агенты, β-адренергические катехоламины, гонадотропин-рилизинг гормон, окситоцин, соматостатин и другие биологиче­ски активные вещества.
От содержания циклических нуклеотидов зависит внешняя деятельность клетки. Так, повышение уровня цАМФ подавляет выделение медиаторов аллергической реакции, синтез реагинов, снижает тонус гладкой мускулатуры, проницаемость лизосомальных мембран, т. е. уменьшает внешнюю деятельность клетки. Повышение же уровня цГМФ вызывает противоположные эффекты. Имеются данные о том, что противоположное действие циклических нуклеотидов в некоторой степени определяется их разной зависимостью от концентрации ионов кальция.
Лекарственные средства, влияющие на уровень ц-АМФ и ц-ГМФКакие же лекарственные препараты влияют на уровень нуклеотидов? И какие эффекты оказываются таким образом?
ВинпоцетинПрепарат, усиливающий церебральное кровообращение и метаболизм. Подавляет активность фосфодиэстеразы, вызывая накопление цАМФ в тканях. Демонстрирует вазодилатирующее действие в основном на сосуды мозга, что обусловлено спазмолитическим миотропным эффектом. Системное кровяное давление снижается незначительно.
В концентрации 1 мкМ он действовал как ингибитор фосфодиэстераз (ФДЭ), проявляя эффекты подобно дибутирил-цГМФ, но не дибутирил-цАМФ. В присутствии 10 мкМ метиленового синего, ингибитора растворимой фракции гуанилатциклазы, цГМФ-зависимые эффекты ВП угнетались и на фоне 100 мкМ НН, но сохранялись на фоне действия 10 мкМ неспецифического ингибитора ФДЭ - 3-изобутил-1-метилксантина (IBMX), который действовал подобно дибутирил-цАМФ, активируя калиевую проводимость мембраны ГМК. Предполагается, что цГМФ - зависимые эффекты ВП обусловлены модулирующим влиянием на проводимость мембраны ГМК для ионов натрия и кальция, но не калия, и увеличением вклада саркоплазматического кальция в сократительный ответ.
Фофсфокреатин (Неотон)Фосфокреатин играет важную роль в энергетическом механизме мышечного сокращения. Он является резервом энергии в клетках миокарда и скелетных мышц и используется для повторного синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), при гидролизе которой высвобождается энергия для обеспечения процесса сокращения актомиозина. Недостаточное поступление энергии в кардиомиоциты, связанное с замедлением окислительных процессов, - это ключевой механизм развития и прогрессирования повреждения миокарда. Недостаток фосфоркреатина приводит к снижению силы сокращения миокарда и способности его к функциональному восстановлению. При повреждении миокарда существует тесная корреляция между количеством богатых энергией фосфорилированных соединений в клетках, жизнеспособностью клеток и их способностью восстанавливать сократительную способность.
Доклинические и клинические исследования позволили продемонстрировать кардиопротективное влияние фосфокреатина, что проявляется в дозозависимом положительном эффекте при токсическом воздействии на миокард изопреналина, тироксина, эметина, п-нитрофенола; в положительном инотропном действии при дефиците глюкозы, ионов кальция или при передозировке ионов калия; в снижении отрицательного инотропного действия, обусловленного аноксией.
Кроме того, добавление фосфокреатина в кардиоплегические растворы в концентрации 10 ммоль/л улучшает кардиопротективный эффект:
- снижается риск развития ишемии миокарда при кардиопульмональном обходном шунтировании;
- снижается риск развития реперфузионной аритмии при инфузионном введении до развития экспериментальной регионарной ишемии в результате наложения лигатуры на переднюю нисходящую ветвь левой коронарной артерии на 15 мин;
- снижает деградацию АТФ и фосфокреатина в клетках миокарда, сохраняет структуру митохондрий и сарколеммы, улучшает процесс функционального восстановления миокарда после остановки сердца, вызванной введением большой дозы калия, и снижает частоту реперфузионной аритмии.
Фосфокреатин оказывает кардиопротективное действие в эксперименте при инфаркте миокарда и аритмии, вызванных окклюзией коронарной артерии: сохраняет клеточный пул адениннуклеотидов за счет ингибирования ферментов, обусловливающих их катаболизм, подавляет деградацию фосфолипидов, возможно, улучшает микроциркуляцию в зоне ишемии, что обусловлено подавлением опосредованной аденозиндифосфорной кислотой агрегации тромбоцитов, стабилизирует гемодинамические показатели, предотвращает резкое снижение функциональных показателей сердца, оказывает антиаритмическое действие, снижает частоту и длительность фибрилляции желудочков и ограничивает зону инфаркта миокарда.
ИзофосфенФосфокреатин играет важную роль в энергетическом механизме мышечного сокращения. Он является резервом энергии в клетках миокарда и скелетных мышц и используется для повторного синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), при гидролизе которой высвобождается энергия для обеспечения процесса сокращения актомиозина. Недостаточное поступление энергии в кардиомиоциты, связанное с замедлением окислительных процессов, - это ключевой механизм развития и прогрессирования повреждения миокарда. Недостаток фосфоркреатина приводит к снижению силы сокращения миокарда и способности его к функциональному восстановлению. При повреждении миокарда существует тесная корреляция между количеством богатых энергией фосфорилированных соединений в клетках, жизнеспособностью клеток и их способностью восстанавливать сократительную способность.
Доклинические и клинические исследования позволили продемонстрировать кардиопротективное влияние фосфокреатина, что проявляется в дозозависимом положительном эффекте при токсическом воздействии на миокард изопреналина, тироксина, эметина, п-нитрофенола; в положительном инотропном действии при дефиците глюкозы, ионов кальция или при передозировке ионов калия; в снижении отрицательного инотропного действия, обусловленного аноксией.
Кроме того, добавление фосфокреатина в кардиоплегические растворы в концентрации 10 ммоль/л улучшает кардиопротективный эффект:
- снижается риск развития ишемии миокарда при кардиопульмональном обходном шунтировании;
- снижается риск развития реперфузионной аритмии при инфузионном введении до развития экспериментальной регионарной ишемии в результате наложения лигатуры на переднюю нисходящую ветвь левой коронарной артерии на 15 мин;
- снижает деградацию АТФ и фосфокреатина в клетках миокарда, сохраняет структуру митохондрий и сарколеммы, улучшает процесс функционального восстановления миокарда после остановки сердца, вызванной введением большой дозы калия, и снижает частоту реперфузионной аритмии.
Фосфокреатин оказывает кардиопротективное действие в эксперименте при инфаркте миокарда и аритмии, вызванных окклюзией коронарной артерии: сохраняет клеточный пул адениннуклеотидов за счет ингибирования ферментов, обусловливающих их катаболизм, подавляет деградацию фосфолипидов, возможно, улучшает микроциркуляцию в зоне ишемии, что обусловлено подавлением опосредованной аденозиндифосфорной кислотой агрегации тромбоцитов, стабилизирует гемодинамические показатели, предотвращает резкое снижение функциональных показателей сердца, оказывает антиаритмическое действие, снижает частоту и длительность фибрилляции желудочков и ограничивает зону инфаркта миокарда.
Другие препараты
Пептидные гормоны: инсулин, кальцитонин , окситоцин , и нейромедиаторы : ацетилхолин , серотонин , а также простагландин F2# повышают уровень цГМФ, цГМФ в свою очередь активирует фосфодиэстеразу, гидролизующую цАМФ .
Серотонин, норадреналин, и адреналин могут оказывать двоякое действие на клетки нервной системы: в зависимости от типа рецептора образуется либо цАМФ, либо цГТФ.
Механизм иммуностимулирующего действия левамизола связан с изменением в тканях соотношения циклических нуклеотидов цГМФ/цАМФ в сторону повышения первого. Возрастание концентрации цГМФ сопровождается активацией пролиферации зрелых Т- и В- лимфоцитов, повышением секреции гуморальных факторов взаимной регуляции (лимфокинов). При сдвиге соотношения циклических нуклеотидов в сторону цАМФ усиливается дифференцировка молодых Т- и В-лимфоцитов.
При посредстве чаще встречающихся бета адренергических рецепторов стимулируется синтез цАМФ, а при посредстве реже встречающихся альфа адренергических рецепторов цГМФ. Так под действием одного стимула в разных клетках стимулируются противоположные процессы
Заключение

Исходя из вышесказанного, можно сказать, что нуклеиновые кислоты играют огромную роль в нашем организме, т.к. играют важнейшую роль в передачи генетической информации.
Значение нуклеиновых кислот очень велико. Особенности их химического строения обеспечивают возможность ранения, переноса в цитоплазму и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке. Белки обусловливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот - важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток или активности физиологических процессов в них, влияя таким образом на жизнеспособность.

Список литературы

1.Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. , Зурабян С.Э. Биоорганическая химия. Учебник. ГЭОТАР-Медиа. 2010 – 416 с.
2.Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И., Зурабян С.Э. Биоорганическая химия. Учебник. М., ГЭОТАР-Медиа.- 2009 – 416 с.
3. Харкевич Д.А. Фармакология. Учебник.-М.-Геотар-Медиа.-2006.
4. Машковский М.Д. Лекарственные средства.-2011.-1216 с.
5. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М., 1987.
6. Ковалев И.В. Исследование цГМФ-зависимых механизмов действия винпоцетина на гладкомышечные клетки // Экспериментальная и клиническая фармакология // Том 66, № 4. 2003.