Азотистые т основания- производные пиримидина

( урацил, тимин, цитозин)

пиримидин

Пиримидин!( 1,3 - диазин) – гетероароматическое соединение. слабое основание( оба атома азота сохраняют основные свойства)

Производные пиримидина , содержащие в цикле гидрокси- и аминогруппы- входят в состав нуклеиновых кислот, и их называют пиримидиновые азотистые основания. К ним относятся урацил, тимин, цитозин.

В клетке исходным соединением в синтезе пиримидиновых азотистых оснований является оротовая кислота–2,6–диоксопиримидин-4-карбоновая кислота.(4-карбоксиурацил). После декарбоксилирования в составе нуклеозида образуется урацил, а из него тимин( путем метилирования) и цитозин.

Оротовая кислота

Урацил Тимин Цитозин

2,4-диоксопиримидин 2,4- диоксо-5-метилпиримидин 2 –оксо -4-аминопиримидин

Важным свойством пиримидиновых азотистых оснований является способность к лактим-лактамной таутомерии. На рисунках представлена лактамная форма, характерная для структуры нуклеиновых кислот..

Лактимная форма, в которой классическая ароматическая система( переход атомов водорода к атомам кислорода группы С=О восстанавливает ароматическую шести электронную систему в цикле), непригодна для нуклеиновых кислот по следующим обстоятельствам:

1). только в лактамной форме есть группа - N-H , которая участвует в образовании

N- гликозидной связи.

2). В лактамной форме есть фрагмент - NH- С - , необходимый для образования связей

||

О

в омплементарной ля образования связей в комплементарной паре в структкре ДНК называют пиримидиновые азотистые основани комплементарных парах в структуре ДНК и в комплементарных парах, которые возникают в процессах репликации, транскрипции и трансляции.

Между урацилом и тимином имеются некоторые отличия: донорная метильная группа в тимине увеличивает электронную плотность в гетероциклической системе, снижает поляризацию связи -N -H ( снижает кислотность NH –кислотного центра) и способствует созданию менее полярной и более прочной гликозидной связи в ДНК .

11.2.2. Азотистые основания- производные пурина( аденин, гуанин)

пурин

Пурин- конденсированное гетероароматическое соединение, в составе которого два гетероциклических соединения: пиримидин и имидазол. Обратите внимание на правило нумерации атомов. Атом водорода может занимать два положения : у атома N 9 и у атома N7 ( устанавливается равновесие между двумя изомерами)

В составе нуклеиновых кислот ДНК и РНК обнаружены два соединения, производные пурина: аденин и гуанин.

аденин гуанин

6-аминопурин 2-амино-6-оксопурин

Атом водорода в имидазольном цикле пурина и гуанина также может занимать положения N7 или N 9 , но нуклеиновых кислотах реализуется форма N₉ –Н и с этим атомом образуется N₉ - гликозидная связь в нуклеозидах. нуклеотидах и нуклеиновых кислотах.

Гуанин может образовать две таутомерные формы: лактимную и лактамную , но вновь в составе нуклеиновых кислот гуанин существует в лактамной форме, которая обеспечивает образование комплементарной пары с цитозином.

Незначительные изменения в строении азотистых оснований изменяет их биологическую роль и биологическую активность. Это обстоятельство используют при создании лекарственных препаратов., тормозящих образование нуклеиновых кислот в клетках микроорганизмов, которые инфицируют организм человека , или в раковых клетках, отличающихся высокой способностью к делению ( См. лекцию « Лекарственные препараты»).

Нуклеозиды

Нуклеозидом называется N -β- гликозид, у которого агликон ( неуглеводная часть) является азотистым основанием , производным пиримидина или пурина.

В зависимости от того, какой моносахарид входит в состав нуклеозида, их подразделяют на два вида - рибозиды и дезоксирибозиды.

Нуклеозиды являются промежуточными соединениями в синтезе нуклеотидов, и в клетке в иных метаболических процессах не участвуют, но синтетические нуклеозиды нашли применение как лекарственные препараты. Они обладают меньшей токсичностью, чем входящий в их состав агликон( производное пиримидина или пурина), всасываются нуклеозиды лучше по сравнению со свободными азотистыми основаниями.

Номенклатура.

Нуклеозиды, содержащие в своем составе пиримидин, имеют в названии

окончание - ин

Нуклеозиды, содержащие в своем составе пурин , имеют в названии

окончание - озин

Обратите внимание на номенклатуру нуклеозидов, содержащих тимин.

Тимин- основание ДНК , и если нуклеозид содержит дезоксирибозу, то в названии нуклеозида ( тимидин) не требуется подчеркивать химическую природу углевода.

Если тимин связан с рибозой, что представляет собой нетипичную биологическую ситуацию, то в названии указывается название углевода ( тимидинрибозид или рибозид тимидина

Наиболее распространенные нуклеозиды

Тип связи - N -β- гликозидная

Азотистое основание	Нуклеозид углевод рибоза	Нуклеозид углевод дезоксирибоза
урацил	уридин	дезоксиуридин
цитозин	цитозин	дезоксицитозин
тимин	тимидинрибозид	тимидин
аденин	аденозин	дезоксиаденозин
гуанин	гуанозин	дезоксигуанозин
гипоксантин	инозин	дезоксиинозин

)

Уридин Тимидинрибозид Тимидин

В природных нуклеозидах, содержащих аденин, гуанин , гипоксантин и другие пуриновые соединения, всегда образуется N₉ -β- гликозидная связь

Аденозин Дезоксигуанозин

На всех вышеприведенных рисунках показано реальное пространственное взаимное расположение углевода и азотистого основания:

- поворот вокруг гликозидной связи затруднен.

- расположение цикла пентозы влево от связи соответствует единственно правильному изображению β- гликозидной связит

- карбонильные и аминогруппы циклов повернуты в противоположную сторону сторону от пентозы( так эти группы смогут участвовать в создании комплементарных пар)

Нуклеотиды

Нуклеотиды- фосфорные эфиры нуклеозидов.

Их химический состав: азотистое основание( А.О.) + пентоза + фосфорная кислота

Фосфорные эфиры образуются с участием гидроксильных групп пентоз . Места положения фосфорноэфирных групп принято обозначать, используя обозначение ( ' ) , например: 5' , 3 '

Предварительная краткая информация: нуклеотиды играют чрезвычайно важную роль в жизнедеятельности клетки.

Классификация нуклеотидов

Нуклеотиды, состоящие из одной молекулы А.О, пентозы, фосфорной кислоты, называются мононуклеотидами. Мононуклеотиды могут содержать одну молекулу фосфорной кислоты , две или три молекулы фосфорной кислоты, соединенных друг с другом.

Комбинация из двух мононуклеотидов называется динуклеотидом. Всоставе динуклеотида обычно присутствуют разные азотистые основания или одно другое циклическое соединение, например, витамин..

Особую роль в биохимических процессах играют циклические мононуклеотиды.

Номенклатура мононуклеотидов.

К названию нуклеозида добавляют в зависимости от количества фосфатных остатков, « монофосфат », « дифосфат », « трифосфат », с указанием их места положения в цикле пентозы- цифровое обозначение места со значком ( ' ) ,

Положение фосфатной группы в положении (5') является наиболее распространенным и типичным, поэтому его можно не указывать ( АМФ, ГТФ, УТФ, дАМФ и т.д.)

Остальные положения обозначаются обязательно ( 3'- АМФ, 2'- АМФ , 3'- дАМФ )

5'-аденозинмонофосфат

(5'- АМФ или АМФ )

Названия наиболее распространенных нуклеотидов

нуклеозид	нуклеозидмонофосфат	нуклеозиддифосфат	нуклеозидтрифосфат
аденозин	5'-Аденозинмонофосфат (5'- АМФ или АМФ ) 5' -адениловая кислота	5'-Аденозиндифосфат ( 5'-АДФ или АДФ)	5'-Аденозинтрифосфат ( 5'-АТФ или АТФ )
аденозин	3'-аденозинмонофосфат ( 3'-АМФ) 3' -адениловая кислота	не встречается in vivo	не встречается in vivo
гуанозин	5'-гуанозинмонофосфат (5'- ГМФ или ГМФ )	5'-гуанозиндифосфат (5'- ГДФ или ГДФ )	5'-гуанозинтрифосфат (5'- ГТФ или ГТФ )
гуанозин	3'-гуанозинмонофосфат (3'- ГМФ) 3'-гуаниловая кислота	не встречается in vivo	не встречается in vivo
дезокси аденозин	5'-дезоксиаденозин монофосфат (5'- дАМФ или дАМФ )	5'-дезоксиаденозин дифосфат (5'-дАДФили дАДФ)	5'-дезоксиаденозин трифосфат (5'-дАТФили дАТФ)
уридин	5'-уридинмонофосфат (5'- УМФ или УМФ)	5'-уридиндифосфат (5'- УДФ или УДФ)	5'-уридинтрифосфат (5'- УТФ или УТФ)
цитидин	5'-цитидинмонофосфат (5'- ЦМФ или ЦМФ)	5'-цитидиндифосфат (5'- ЦДФ или ЦДФ)	5'-цитидинтрифосфат (5'- ЦТФ или ЦТФ)

Нуклеотиды, образованные с участием рибозы, могут содержать остатки фосфорной кислоты в трех положениях ( 5', 3', 2' ), а с участием дезоксирибозы – только в двух положениях (5', 3' ) , в положении 2' гидроксигруппа отсутствует.. Это обстоятельство очень важно для структуры ДНК.

Отсутствие гидроксигруппы во втором положении имеет два важных последствия:

- уменьшается поляризация гликозидной связи в ДНК и она становится более устойчивой к гидролизу.

- 2-О-дезоксирибоза не может подвергаться ни эпимеризации, ни превращению в кетозу.

В клетке происходит последовательное превращение нуклеозидмонофосфата в дифосфат, а затем в трифосфат .

Для примера : АМФ ———> АДФ ———> АТФ

Биологическая роль нуклеотидов

Все нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты относятся к высокоэнергетическим (макроэргическим ) соединениям.

Нуклеозидтрифосфаты участвуют в синтезе нуклеиновых кислот, обеспечивают активацию биоорганических соединений и биохимические процессы, которые проходят с затратой энергии. Аденозинтрифосфат ( АТФ) является наиболее распространенным в организме человека макроэргическим соединением. Содержание АТФ в скелетных мышцах млекопитающих до 4г/ кг, общее содержание около 125 г. У человека скорость обмена АТФ достигает 50 кг/ сутки. При гидролизе АТФ образуется аденозиндифосфат ( АДФ)

Макроэргические связи

В составе АТФ присутствуют разные типы химических связей:

- N -β- гликозидная

- сложноэфирная

- две ангидридные( в биологическом отношении макроэргические)

В условиях in vivo гидролиз макроэргической связи АТФ сопровождается выделением энергии( около 35 кДж/ моль), которая обеспечивает другие энергозависимые биохимические процессы.

АТФ + Н2О —фермент АТФгидролаза——> АДФ + Н3 РО4

В водных растворах АДФ и АТФнеустойчивы.При 0⁰ САТФ стабильна в воде всего несколько часов, а при кипячении в течение 10 мин.

Под действием щелочи два концевых фосфата( ангидридные связи) гидролизуются легко, а последний( сложноэфирная связь) - трудно. При кислотном гидролизе N- гликозидная связь разрушается легко.

Впервые АТФ выделена из мышц в 1929 г. К. Ломаном. Химический синтез осуществил в 1948 г. А. Тодд.

Циклические нуклеотиды являются посредниками в передаче сигналов гормонов, изменяя в клетке активность ферментов.

Они образуются из нуклеозидтрифосфатов.

АТФ —фермент циклаза——> цАМФ + Н4 Р2 О7

После выполнения действия происходит гидролиз циклического нуклеотида. . Могут образоваться два соединения 5'- АМФ и 3' -АМФ, но в биологических условиях образуется только 5'-АМФ,

Циклический аденозинмонофосфат ( цАМФ)

11.5.Строение нуклеиновых кислот

Первичная структура РНК и ДНК – последовательное соединение нуклеотидов в полинуклеотидной цепи. Скелет полинуклеотидной цепи состоит из углеводных и фосфатных остатков , с углеводами посредством N- β – гликозидной связи соединены гетероциклические азотистые основания. С биологической точки зрения важнейшее значение имеют триплеты- блоки нуклеотидов из трех азотистых оснований, каждый из которых кодирует какую-либо аминокислоту или имеет определенную сигнальную функцию.

Структуру НК можно представить схематически :

5' 3' 5' 3' 5' 3'

фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза —— фосфат —— пентоза -ОН

| | |

АО А О АО

В первичной структуре ДНК начало цепи определяют по пентозе, содержащей фосфат в положении 5'. Пентозы в полинуклеотидной цепи соединяются посредством фосфатных связей 3'→ 5'.На конце цепи в положении 3'- пентозы ОН- группа остается свободной.

Структура ДНК высшего порядка- двойная спираль

Научное описание вторичной структуры ДНК относится к величайшим открытиям человечества в ХХ веке. Биохимик Д. Уотсон и физик Ф. Крик в 1953 году предложили модель структуры ДНК и механизм процесса репликации. В 1962 г. им присуждена Нобелевская премия .

В популярном виде история описана в книге Джеймса Уотсона « Двойная спираль», М.: Мир, 1973 . Книга весьма интересно описывает историю совместной работы , с юмором и легкой иронией автора к такому знаменательному событию, счастливыми «виновниками» которого были два молодых ученых . С момента открытия структуры ДНК человечество получило инструмент к развитию нового направления- биотехнологиям, синтезу белков путем рекомбинации генов ( гормоны в медицинской промышленности получают инсулин, эритропоэтин и многие другие ).

Открытию структуры ДНК способствовали исследования Э.Чаргаффа в отношении химического состава ДНК. Он обнаружил:

- количество пиримидиновых оснований равно количеству пуриновых

- количество тимина равно количеству аденина, а количество цитозина количеству

гуанина.

А = Т Г = Ц

А + Г = Т + Ц

А + Ц = Т + Г

Эти отношения получили название правила Чаргаффа.

Молекула ДНК представляет собой две перекрученные спирали. Скелет каждой спирали- цепочка из чередующихся остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты. Спирали ориентированы таким образом., что образуют два неодинаковых спиральных желобка, которые идут параллельно главной оси. Эти желобки заполнены белками гистонами. Азотистые основания располагаются внутри спирали, почти перпендикулярно основной оси и образуют между цепочками комплементарные пары А…Т и Г…Ц.

Суммарная длина молекул ДНК в каждой клетке достигает 3 см. Диаметр клетки в среднем 10^–5 м , диаметр ДНК всего 2 •10 ^–9 м.

Основные параметры двойной спирали:

* диаметр 1,8 – 2нм,

* на одном витке 10 нуклеотидов

* высота шага витка ~ 3,4 нм

* расстояние между двумя нуклеотидами 0,34 нм .

Основания располагаются перпендикулярно оси цепи.

* направления полинуклеотидных цепей антипараллельное

* связь между фуранозными циклами дезоксирибозы посредством

фосфорной кислоты осуществляется из положения 3` к положению 5` в

каждой из цепей.

* Начало цепи – фосфорилирована гидроксильная группа пентозы в положении

- 5`, конец цепи – свободная гидроксильная группа пентозы в положении 3`.

* В составе ДНК и РНК нуклеозидные фрагменты находятся в анти- конформации пиримидиновый цикл пурина находится справа от гликозидной связи. Только такое положение позволяет образовать комплементарную пару ( см. формулы нуклеотидов)

* Между азотистыми основаниями возникают три вида взаимодействий:

1. “Поперечное”, участвуют комплементарные пары двух цепей. Возникает «циклический» перенос электронов между двумя азотистыми основаниями (Т – А, У – Ц), образуется дополнительная p - электронная система, которая обеспечивает дополнительное взаимодействие и защищает азотистые основания от нежелательных химических воздействий. Между аденином и тимином устанавливается две водородные связи, а между гуанином и цитозином – три водородные связи.

2. « Вертикальное» (stacking) , за счет укладывания в “стопки” , участвуют азотистые основания одной цепи. «Стэкинг- взаимодействие» имеет даже большее значение в стабилизации структуры, чем взаимодействие в комплементарных парах

3. Взаимодействие с водой играет существенную роль в поддержании пространственного строения двойной спирали, которая принимает максимально компактную структуру для уменьшения поверхности контакта с водой и направляет гидрофобные гетероциклические основания вовнутрь спирали.

Структура и состав нуклеопротеидных комплексов

В связывании нуклеиновой кислоты с белком принимают участие несколько видов взаимодействия:

- электростатическое

- водородные связи

- гидрофобное

По результатам рентгеноструктурного анализа путем компьютерного моделирования построены реальные трехмерные модели ДНК, рибосом, информосом и нуклеиновых кислот вирусов.

Гистоновые белки ДНК обладают выраженными основными свойствами и отличаются высокой степенью эволюционной консервативности. По соотношению двух основных аминокислот лизин/ аргинин их подразделяют на 5 классов : Н1, Н2А, Н 2В, Н3, Н4

Генная инженерия

Генная инженерия или техника рекомбинантных ДНК – совокупность приемов, позволяющих путем процессов in vitro перенести генетический материал из одного организма( источника гена) в другой( реципиент гена, хозяин гена). Используются методы и подходы биоорганической химии.

В заранее выделенный репликон хозяина in vitro вводят нужный ген из другого источника. Полученную таким способом рекомбинантную молекулу, сохраняющую все свойства репликона, снова вводят в клетку – хозяина, в которой он будет реплицироваться и стабильно передаваться клеткам-потомкам при делении. Репликоны, предназначенные для введения в клетку-хозяина, носят название векторы.

Основные химические способы введения вектора связаны с использованием ферментативных биохимических методов. Важнейшим этапов синтеза искусственных двухцепочечных фрагментов ДНК является их клонирование так, чтобы синтезированная последовательность сохранилась и могла функционировать - передавать генетическую информации о синтезе белка

Полимеразная цепная реакция

Полимеразная цепная реакция( polymerase chain reaction PCR )- перспективная разработка в химии ДНК. Позволяет синтезировать в больших количествах отдельные участки ДНК или фрагмент нуклеотида. Эту методику используют в криминалистике, она

позволяет выделить ДНК из окаменелых остатков давно исчезнувших видов животных.

По программе HUGO ( Human Genom – Геном человека) в 2000 г. был определен каждый отдельный код ДНК в генетическом материале человека.

PCR состоит в синтезе двух коротких олигонуклеотидов, точно связывающихся с концами ДНК, которые будут копироваться. Фермент ДНК-полимераза начинает сборку копий двух цепей, приводящую к получению двух новых цепей ДНК. Нагревание образца вызывает расплетание двойных спиралей и дает новые четыре цепи, которые используются для образования еще новых четырех цепей и т.д.

11.6.Метаболизм пуриновых соединений в клетке

Поступающие в организм пуриновые соединения ( в составе пищи, лекарственных препаратов – аденин, гуанин, кофеин, теофиллин, теобромин ) и синтезированные в организме в конечном итоге превращаются в мочевую кислоту. Азотистые основания, поступившие с пищевыми продуктами, не используются для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот

Схема обмена азотистых оснований :

Аденин———>гипоксантин———> ксантин———>мочевая кислота

‍ ‍↑

гуанин

гипоксантин ксантин

6-оксопурин 2,6-диоксопурин

Гипоксантин и ксантин образуют изомерные лактим-лактамные формы.

Мочевая кислота (2,6,8-триоксопурин) образует двузамещенные соли, поскольку для этого соединения характерна лактим-лактамная таутомерия, сопровождающаяся образованием только двухосновной кислотной формы. Строение солей соответствует таутомерной форме 2,8-дигидрокси-6-оксопурина.

2,8 – дигидрокси - 6-оксопурин.

Атом кислорода в группе С=О в положении 6 связан водородной связью с атомом водорода N7 –Н, это препятствует переходу атома водорода от N1 –Н, что необходимо для образования полной лактимной формы.

Мочевая кислота – бесцветные кристаллы, плохо растворима в воде( 0, 065 г в 100 мл при 37⁰ С ), средние – двухзамещенные - соли щелочных металлов легко растворимы в воде, а кислые- однозамещенные- трудно( исключение –соли лития). Мочевая кислота, образующаяся в процессе обмена веществ, полностью выделяется из организма в составе мочи. Повышенное содержание и низкая растворимость мочевой кислоты и ее кислых солей создает угрозу кристаллизации из биологических жидкостей, мочевая кислота и соли ураты образуют камни в мочевом пузыре, почках, откладываются в суставах, закупоривают протоки слюнных и слезных желез. Такая характерная картина возникает при мочекаменной болезни и подагре.

Для проверки усвоения темы рекомендуем ответить на вопросы:

1. Соединение 6- меркаптопурин является антиметаболитом пуриновых соединений аденина и гипоксантина( в иминоформе) , активно вмешивается в пуриновый обмен и блокирует синтез нуклеиновых кислот. Его применяют как антилейкемический лекарственный препарат. Запишите формулы названных пуриновых соединений . Какие химические свойства отличают между собой амино- и тиольную группы?

2. Химическое соединение 5- фторурацил ( 2, 4- диоксо-5- фторпиримидин) –угнетает функцию костного мозга, подавляет развитие некоторых новообразований в организме, относится к группе препаратов- антиметаболитов,

Запишите формулы трех соединений - 5-фторурацил, урацил, тимин - в двух таутомерных - лактимной и лактамной- формах. Сравните изменение кислотных свойств этих соединений в лактимных и лактамных формах. .

3. Препарат 5- фторурацил обладает многими побочными токсическими

эффектами, которые уменьшаются, если соединение применять в составе N-гликозида.

Данный принцип применен при создании лекарственного соединения фторафура.

Напишите формулу N1 - нуклеозида, образованного 5-фторурацилом и моносахаридом β-D- фруктофуранозой.

4. Лекарственный препарат цитарабин ( Cytarabinum ) -антиметаболит пиримидиновых соединений в синтезе нуклеиновых кислот. Применяют при лечении лимфосаркомы, лейкозов. Его химическое название 1- β- D- арабинофуранозилцитозин. Составьте химическую формулу соединения.

* Помощь для выполнения задания : из названия следует, что это соединение нуклеозид, в его составе цитозин, моносахарид арабиноза ( альдопентоза d d l ) .

5. Напишите последовательность превращений, используя структурные формулы биоорганических соединений :

АТФ ——> АДФ ——> АМФ ——> аденин + фосфат

ГТФ ——> ГДФ ——> ГМФ ——> гуанин + фосфат

6. Составьте последовательность нуклеотидов, кодирующих аминокислоту метионин

в иРНК : АUG . Какой кодон соответствует метионину в ДНК ? Какой антикодон присутствует в тРНК ? Напишите последовательности нуклеотидов иРНК и ДНК , используя структурные формулы.

11.7. Биологически важные соединения- мононуклеотиды, динуклеотиды- участники важнейших биохимических процессов