Что такое пуриновые и пиримидиновые основания

Что такое пуриновые и пиримидиновые основания

81. Пиримидиновые и пуриновые основания

На основе типичных представителей азотистых гетероциклов – пиридина и пиррола – можно рассмотреть соединения, которые содержат более одного гетероатома в молекуле.

Особенности строения оснований пиримидина и пурина:

1) это бесцветные кристаллические вещества;

2) пиримидин – шестичленный цикл, подобный пиридину, который отличается от него наличием в молекуле еще одного гетероатома (азота) вместо группы СН; 3) пурин является бициклическим.

Особый интерес представляют не столько пиримидин и пурин, сколько вещества с их характерной структурой – пиримидиновые и пуриновые основания, которые входят в состав природных высокомолекулярных веществ – нуклеиновых кислот, которые осуществляют синтез белков в организмах.

Структурные формулы пиримидиновых оснований:

Цитозин – (2-гидрокси-4-аминопиримидин) – бесцветное малорастворимое вещество с Т_пл 320–325 °C. Цитозин является слабым основанием, сравнимым с анилином и очень слабой NH-кислотой. Цитозин входит в состав нуклеиновых кислот. Урацил (2,4-дигидроксипиримидин) – бесцветное малорастворимое в воде вещество с Т_пл 335 °C. Входит в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов. Получают из гидролизатов нуклеиновых кислот. Урацил вступает в реакции электрофильного замещения: алкилирования, галогенирования, азосочетания. Тимин (2,4-дигидрокси-5-метилпиримидин) – бесцветное малорастворимое кристаллическое вещество с Т_пл 318 °C. Являясь производным урацила, обнаруживает сходные свойства, за исключением реакций S_E, поскольку 5-е положение занято метильным радикалом. Входит в состав нуклеиновых кислот, нуклеотидов, является основой лекарственных препаратов. Например, азидотимидин – лекарство против СПИДа.

Структурные формулы пуриновых оснований:

Аденин (6-аминопурин) – бесцветное кристаллическое вещество с Т_пл 360–365 °C, мало растворяется в воде. Входит в состав нуклеотидов, нуклеозидов и нуклеиновых кислот. Его используют в качестве исходного соединения для органического и микробиологического синтеза и в медицине, например в качестве консерванта донорской крови. Гуанин (2-амино-6-гидроксипурин) – бесцветное кристаллическое вещество с Т_пл 365 °C, мало растворяется в воде, входит в состав нуклеотидов, нуклеозидов и нуклеиновых кислот.

Источник

Пуриновые и пиримидиновые основания. нуклеозиды. нуклеотиды

ПУРИНОВЫЕ И ПИРИМИДИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ. НУКЛЕОЗИДЫ. НУКЛЕОТИДЫ

Цель : сформировать знания строения и свойств нуклеотидов, их роли в метаболизме; первичной и вторичной структуры нуклеиновых кислот.

[1] С. 420–444, [2] С. 109–115.

Нуклеиновые кислоты обеспечивают хранение и передачу наследственной информации, непосредственно участвуют в механизмах реализации этой информации путем программированного синтеза всех клеточных белков. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется в пределах от 25 тыс. до 1 млн дальтон и более. Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из мономерных единиц — нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты называют полинуклеотидами. Существуют два типа нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, различающиеся по молекулярной массе, составу азотистых оснований, сахаров, устойчивости и функциям.

Нуклеиновые кислоты обладают выраженными кислотными свойствами (обусловленными наличием остатков ортофосфорной кислоты в их составе) и при физиологических значениях рН несут отрицательный заряд. Этим объясняется одно из важных свойств нуклеиновых кислот — взаимодействовать с основными белками (гистонами). Нуклеиновые кислоты также образуют ионные связи с катионами металлов, преимущественно с Мg2+.

При полном гидролизе нуклеиновых кислот (нагревании в присутствии хлорной кислоты) в гидролизате обнаруживаются пуриновые и пиримидиновые основания, углеводы (рибоза и дезоксирибоза) и фосфорная кислота:

Дезоксирибоза

Тимин

Рибоза

Урацил

НУКЛЕИНОВЫЕ ОСНОВАНИЯ, ИХ ТАУТОМЕРНЫЕ ФОРМЫ

К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин. Для аденина характерна амино-иминная таутомерия. А для гуанина — лактам-лактимная и амино-иминная.

При физиологических условиях нуклеиновые основания существуют только в лактамной и аминной формах.

Нуклеиновые основания растворимы в воде, их растворы имеют слабощелочную
реакцию среды (рН 8–9).

Цитозин + Рибоза ® Цитидин

Цитозин + Дезоксирибоза ® Дезоксицитидин

Аденин + Рибоза ® Аденозин

Аденин + Дезоксирибоза ® Дезоксиаденозин

Нуклеотиды — это фосфорные эфиры нуклеозидов, являющиеся структурными единицами нуклеиновых кислот. Они образуются в реакции фосфорилирования, протекающей по типу нуклеофильного замещения, приводящей к формированию сложноэфирной связи.

Нуклеотиды способны гидролизоваться в кислой и щелочной среде.

Гидролизу могут подвергаться как N-гликозидная, так и сложноэфирная связи, и в зависимости от рН среды могут образовываться или нуклеозиды или компоненты нуклеотида.

Обнаружить в продуктах гидролиза нуклеотидов пуриновые основания можно при помощи «серебряной пробы».

В ходе реакции образуется светло-коричневый осадок серебряных солей пуриновых оснований.

Пентозы обнаруживают с помощью реакции Биаля.

Фурфурол далее конденсируется с орцином, о чем свидетельствует появление сине-зеленой окраски.

Фосфорную кислоту можно обнаружить при помощи молибденового реактива.

H3PO4 + 12(NH4)2MoO4 + 21HNO3 → (NH4)3PO4 · 12MoO3 + 21NH4 NO3 + 12H2O

Образующийся фосфорномолиденовокислый аммоний — осадок желтого цвета.

Нуклеотиды входят в состав нуклеиновых кислот; но, кроме того, они встречаются
в клетке в свободном состоянии, выполняя энергетическую и регуляторную функции. К наиболее важным из них относятся циклические нуклеотиды, аденозинтрифосфат и гуанозинтрифосфат.

Они содержат две ангидридные связи, называемые макроэргическими. При расщеплении макроэргической связи Р

О (обозначаемой волнистой линией) выделяется

32 кДж/моль. С этим связана важнейшая роль АТФ как «поставщика» энергии во всех живых клетках. Нуклеозидная часть молекулы важна для узнавания и связывания с различными ферментами, использующими АТФ или ГТФ.

При физиологических значениях рН АТФ находится в ионизированном состоянии и в клетке связывается с ионами двухвалентных металлов (Мg2+, Са2+). Такое связывание частично нейтрализует общий отрицательный заряд и облегчает гидролиз АТФ под действием нуклеофилов (ОН-, Н2О). АТФ способен переносить потенциальную энергию на множество важных биологических соединений. Так, с участием АТФ осуществляется активный транспорт ионов через биологические мембраны, активирование аминокислот перед их связыванием с т-РНК, синтез полинуклеотидных цепей, образование пептидных связей в белках и т. д.

Наиболее важными представителями этой группы соединений являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и его фосфат (НАДФ). Эти соединения выполняют роль коферментов большого числа ферментов дегидрогеназ и, следовательно, являются участниками окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с этим они могут существовать как в окисленной (НАД+, НАДФ+), так и восстановленной (НАДН, НАДФН) формах.

Структурным фрагментом НАД+, НАДФ+ является никотинамидный остаток в виде пиридиниевого катиона. В организме человека с участием НАД+ происходит окисление гидроксилсодержащих соединений, например, этанола в ацетальдегид.

Ароматический пиридиниевый цикл в НАД+ в результате окисления гидроксилсодержащего субстрата восстанавливается и переходит в менее стабильное неароматическое
состояние в восстановленной форме НАДН, т. е. энергия НАДН будет выше, чем у НАД+. Повышение энергии в молекуле НАДН происходит за счет части энергии, выделяющейся
в результате окисления молочной кислоты. Таким образом НАДН запасает энергию, которая затем расходуется в других биохимических процессах, требующих энергетических затрат.

ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Нуклеиновые кислоты представляют собой макромолекулы, построенные из нуклеотидов, соединенных в линейную последовательность фосфодиэфирными связями. Рибонуклеотиды образуют РНК, дезоксирибонуклеотиды — ДНК.

Мононуклеотиды в структуре нуклеиновых кислот связываются друг с другом через остатки фосфорной кислоты, которые образуют две сложноэфирные (фосфодиэфирные)
связи: с С3′ предыдущего нуклеотидного звена и с С5′ последующего нуклеотидного звена. Полимерная цепь нуклеиновых кислот состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам. Концы линейной полинуклеотидной цепи обозначают: 5′-конец (слева) и 3′ — конец (справа). Написание цепи обычно начинают с 5′-конца. В этом случае общее направление образования фосфодиэфирных связей в цепи обозначается 5’→3′. На
5′-конце находится фосфатная группа, и такой конец цепи сокращенно обозначают буквой «Р». На другом конце цепи в пентозном остатке сохраняется свободной гидроксильная группа у С-3′, и поэтому этот конец цепи обозначают как ОН-конец. На рисунке приведено строение участка цепи ДНК, включающего четыре нуклеотида.

Принцип построения цепи РНК такой же, как и у ДНК, с двумя исключениями: пентозным остатком в РНК является D-рибоза, и в наборе гетероциклических оснований используется не тимин, а урацил. Таким образом, первичная структура нуклеиновых кислот — это линейная последовательность нуклеотидных звеньев, связанных ковалентными фосфодиэфирными связями в непрерывную цепь полинуклеотида.

ПОНЯТИЕ О ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ ДНК

Вторичная структура ДНК — это пространственная организация полинуклеотидных цепей в ее молекуле. Согласно модели Дж. Уотсона и Ф. Крика, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали, имеющей диаметр 1,8–2,0 нм. Эти две полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т. е. направления образования фосфодиэфирных связей в них противоположны: в одной цепи 5’–3′, в другой 3’–5′.

Стэкинг-взаимодействия между основаниями стабилизируют спиральную структуру, преодолевая силы электростатического отталкивания между отрицательно заряженными фосфатными группами. Эта энергия стабилизации может быть равна или превышать энергию связывания цепей водородными связями. Построение молекулярных моделей показывает, что именно в правой спирали взаимодействие между нуклеотидами оптимально.

Водородные связи между комплементарными основаниями — это один из видов взаимодействия, стабилизирующих двойную спираль. Данный вид взаимодействия называют «поперечным» в отличие от «вертикального» (стэкинг-взаимодействия). Две цепи ДНК, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны друг другу. Это означает, что первичная структура, т. е. нуклеотидная последовательность, одной цепи предопределяет первичную структуру второй цепи.

Пуриновые и пиримидиновые основания нуклеотидных звеньев направлены внутрь двойной спирали. Между пуриновым основанием со стороны одной цепи и пиримидиновым основанием со стороны другой цепи образуются водородные связи. Эти основания, связанные водородными связями составляют комплементарные пары.

Комплементарность цепей составляет химическую основу важнейших функций ДНК — хранения и передачи наследственных признаков. При делении клеток двойная спираль ДНК раскручивается и разделяется на две части. На каждой отдельной цепи, как на матрице, происходит биосинтез новой цепи ДНК с учетом принципа комплементарности. Вновь образовавшаяся цепь не идентична, но комплементарна исходной матрице. В результате воссоздаются две новые двойные спирали ДНК. Такой процесс называется репликацией, и он лежит в основе обеспечения дочерних клеток молекулами ДНК, идентичных
с ДНК родительских клеток. Аналогичным образом на деспирализованном участке цепи ДНК в ядре происходит синтез молекулы матричной (информационной) РНК
(и-РНК), которая затем сама служит матрицей для биосинтеза белка в цитоплазме. Возникающая цепь и-РНК комплементарна той цепи ДНК, на которой она синтезируется. При этом адениновому основанию в ДНК будет соответствовать урациловое основание в РНК, а в качестве углеводного остатка в цепи РНК будет использоваться рибоза. Синтез и-РНК является по существу переписыванием, транскрипцией генетической информации с ДНК на и-РНК. Генетическая информация, т. е. информация о синтезе определенных белков, закодирована в нуклеотидной последовательности ДНК. Одну аминокислоту кодирует трехнуклеотидная последовательность, поэтому код
называют триплетным. Три нуклеотида, контролирующие включение данной аминокислоты в определенный белок в процессе его биосинтеза, называются кодоном.

Третичная структура ДНК. Выделить и изучить нативную молекулу ДНК из ядер эукариотических организмов чрезвычайно трудно, так как молекулы ДНК разрушаются нуклеазами тканей и подвергаются деструкции в условиях выделения.

К настоящему времени удалось выделить в неповрежденном виде ДНК вирусов, митохондрий, некоторых бактерий. Оказалось, что двойная спираль ДНК на некоторых участках может подвергаться дальнейшей спирализации с образованием суперспирали или открытой кольцевой формы.

Суперспирализованная структура обеспечивает экономичную упаковку огромной молекулы ДНК в хромосоме. У человека ДНК клетки организовано в 23 пары хромосом. Средняя протяженность ДНК хромосомы, включающая 130 млн пар оснований, имеет среднюю длину 5 см. Понятно, что уместить такой длины ДНК в ядре можно лишь путем ее определенной упаковки. Многократная спирализация ДНК, сопровождающаяся образованием комплексов с белками, и представляет собой ее третичную структуру. В результате образования такой структуры происходит уменьшение размеров ДНК в 100 тысяч раз. Основным компонентом клеточного ядра является хроматин. Фибриллы хроматина представляют собой структуры, напоминающие бусы на нитке: небольшие, около 10 нм глобулы, связанные друг с другом отрезками ДНК длиной около 20 нм. Эти глобулы получили название нуклеосом. Нуклеосомы состоят из ядра, представленного 8 молекулами гистонов и навитой на него по поверхности молекулы ДНК, делающей 1,75 оборота. Структура нуклеосомы поддерживается гистоном Н1. Количество таких частиц в гаплоидном наборе ДНК человека может составлять величину равную 1,5×107. Одновременно были обнаружены и фибриллы хроматина
с диаметром 25–30 нм, которые могут обратимо превращаться в фибриллы диаметром 10 нм. Полагают, что нить плотно упакованных нуклеосом диаметром 10 нм, образует в свою очередь спиральные витки с шагом спирали около 10 нм. На один виток такой суперспирали приходится 6–7 нуклеосом.

Такие 25–30-нанометровые глобулы получили название нуклеомеров. Нуклеомерный уровень укладки хроматина обеспечивает 40-кратное уплотнение ДНК.

Как нуклеосомный, так и нуклеомерный уровни компактизации ДНК хроматина осуществляются за счет гистоновых белков, которые соединяются неспецифически с ДНК в бороздках. В ДНК встречаются положительные и отрицательные супервитки, образованные
за счет скручивания по часовой или против часовой стрелки двойной спирали. Дальнейшие более высокие уровни организации хроматина, приводящие к еще большей компактизации, связаны со специфическим взаимодействием особых участков ДНК с белками негистоновой природы. Это специфическое связывание приводит к дальнейшему формированию в этих участках больших петель или доменов, на электронных микрофотографиях они выглядят
в виде розеткообразных образований. Эти образования, состоящие из многих петель
30-нанометровых фибрилл, соединяющихся в общем плотном центре, получили название хромомер. Размер отдельной петли совпадает с размером средних репликонов (единиц репликации ДНК) и может соответствовать одному или нескольким генам. На хромосому
в среднем приходится более 2000 таких петельных доменов ДНК. В своих основаниях петли ДНК связаны негистоновыми белками ядерного матрикса. В их состав могут входить как ферменты репликации ДНК, так и транскрипции.

Такая петельно-доменная структура хроматина обеспечивает не только компактизацию хроматина, но и организует функциональные единицы хромосом — репликоны и транскрибируемые гены.

ВИДЫ РИБОНУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

Известны несколько видов клеточных РНК: транспортная РНК (т-РНК), информационная РНК (и-РНК), рибосомная РНК (р-РНК), si РНК и другие. Они различаются местоположением в клетке, составом и размерами, а также своими функциями. В составе нуклеопротеинов ядра и цитоплазмы обнаруживаются небольшие, стабильные молекулы РНК. Кроме клеточных РНК, имеются вирусные РНК, входящие в состав многих вирусов животных и растений.

На долю т-РНК приходится 10–20 % от суммы клеточных РНК; их молекулярная масса 30 000, цепь включает 75–90 нуклеотидных звеньев. Основная роль т-РНК состоит в том, что они транспортируют аминокислоты из цитоплазмы к месту синтеза белка — в рибосомы. Число т-РНК превышает число α-аминокислот, участвующих в построении белков.

В класс малых si РНК ( small interfering — малые интерферирующие РНК) включают молекулы, содержащие от 20 до 30 нуклеотидов. Особенностью этих молекул является то, что они, в отличие от большинства других клеточных РНК, состоящих всего из одной цепи нуклеотидов, являются двунитчатыми. Нуклеотиды противоположных цепей si РНК соединяются друг с другом по тем же принципам комплементарности, которые формируют двухцепочечные структуры ДНК в хромосомах. Кроме того, по концам каждой из цепей si РНК всегда остается два неспаренных нуклеотида. В 2002 г. была установлена их способность
подавлять экспрессию генов у животных.

В 2006 г. за исследование механизма действия si РНК, выражающегося в нейтрализации отдельных генов на этапе передачи генетической информации и синтеза белка, двум американским ученым Эндрю Файеру и Крейгу Мелло была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины. Это достижение открывает заманчивые перспективы в использовании данной технологии в генной инженерии при изучении роли отдельных генов, путем их «выключения», а также лечении ряда вирусных, эндокринных и других заболеваний.

НАРУШЕНИЯ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В ДНК ПОД ВЛИЯНИЕМ
ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Уже на ранних стадиях эволюции, очевидно, ДНК заменила РНК в качестве носителя генетической информации. Это обусловлено большей устойчивостью ДНК, связанной с заменой рибозы на дезоксирибозу, и двухцепочечным строением ДНК. Благодаря гидрофобным взаимодействиям и водородным связям между двумя комплементарными полинуклеотидными цепями ДНК, реакционноспособные азотистые основания, последовательность
которых кодирует информацию, становятся менее доступными.

Однако, несмотря на свои особенности строения, ДНК постоянно подвергается химическим изменениям, как спонтанным, так и индуцируемым мутагенами и даже клеточными метаболитами. Еще одной причиной повреждения ДНК являются радиация и ультрафиолетовое облучение. Большинство изменений ДНК несовместимо с нормальным функционированием клеток: они либо приводят к вредным мутациям, либо блокируют репликацию ДНК и вызывают гибель клеток. Поэтому все клетки имеют специальные системы репарации ДНК.

В ДНК сравнительно часто и спонтанно происходят апуринизация и дезаминирование оснований. Так, ДНК каждой клетки человеческого организма ежедневно теряет около 5000 пуринов. Результатом апуринизации является АР-сайт (англ. Apurinic-apyrimidinic) — дезоксирибоза, лишенная основания.

При дезаминировании цитозин превращается в урацил, аденин — в гипоксантин,
а гуанин — в ксантин.

Наиболее существенные нарушения считывания информации происходят при дезаминировании цитозина и аденина: обе реакции после репликации приводят к мутациям. Чаще всего дезаминируется цитозин; в ДНК каждой клетки за день происходит около 100 таких событий. При дезаминировании азотистых оснований, содержащих аминогруппу, образуются основания, не характерные для ДНК. Это обстоятельство позволяет репаративной системе клетки узнавать продукт дезаминирования и удалять его. Очевидно, что именно поэтому в ДНК, в отличие от РНК, вместо урацила присутствует тимин: урацил неотличим от продукта спонтанного дезаминирования цитозина.

Многие вещества, обладающие канцерогенным действием, алкилируют, например, метилируют, основания ДНК. Наиболее частые продукты этих реакций — О6-метил-гуанин, 7-метилгуанин и 3-метил-аденин. Первое из этих изменений мутагенно. А два других делают более лабильной N-гликозидную связь и могут способствовать апуринизации.

При ряде воздействий может происходить размыкание имидазольного цикла пуринового основания. Образующийся при этом продукт — формамидопиримидин создает затруднения для репликации ДНК.

Основным нарушением, возникающим под действием ультрафиолетового излучения, является насыщение двойных связей азотистых оснований, нарушение ароматичности и плоскостной структуры. В результате образуются пиримидиновые димеры из двух соседних пиримидинов цепи ДНК.

Источник

Что такое пуриновые и пиримидиновые основания

Пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеотидов, представляют собой замещенные производные пурина и пиримидина (рис. 34.1). Положения атомов в ароматическом кольце пронумерованы в соответствии с принятой номенклатурой. Обратите внимание на то, что нумерация в пуриновом и пиримидиновом кольцах ведется в противоположных направлениях, при этом атом углерода под номером 5 в обеих молекулах находится в одном и том же положении. Сопряжение n-электронных облаков обусловливает плоскую структуру пуриновых и пиримидиновых оснований. Значение этого явления обсуждается в гл. 37.

Главные основания

Главные пиримидиновые основания и у прокариот, и у эукариот — это цитозин, тимин и урацил

Рис. 34.1. Структура пурина и пиримидина. Атомы пронумерованы согласно международной системе.

Рис. 34.2. Три главных пиримидиновых основания, входящие в состав нуклеотидов.

(рис. 34.2). Из пуриновых оснований чаще всего встречаются аденин и гуанин. Два других — ксантин и гипоксантин—являются интермедиатами в процессах их метаболизма (рис. 34.3). У человека в роли конечного продукта катаболизма пуринов выступает окисленное пуриновое основание—мочевая кислота (гл. 35).

Помимо пяти названных выше главных оснований известны и менее широко представленные минорные основания. Некоторые из них присутствуют только в нуклеиновых кислотах бактерий и вирусов, но многие также найдены в составе про- и эукариотических ДНК и транспортных РНК.

Рис. 34.3. Главные пуриновые основания, входящие в состав нуклеотидов.

Рис. 34.4. Структура двух необычных природных пиримидиновых оснований.

В клетках растений выявлена серия пуриновых оснований с метальными заместителями (рис. 34.6). Многие из них фармакологически активны. В качестве примера можно привести кофейные зерна, содержащие кофеин , чайный лист, содержащий теофиллин , и какао-бобы, в состав которых входит теобромин . Биологические свойства этих веществ описаны в гл. 35 при обсуждении метаболизма циклических нуклеотидов.

Источник