XII.2.5.4. Производные гетероциклов с двумя и более гетероатомами. Нуклеиновые кислоты.

Среди подобных соединений наиболее важны производные пиримидина и конденсированных систем, включающих пиримидиновый цикл, прежде всего, пурина.

Производными пурина являются известные алкалоиды кофеин (923), содержащийся в больших количествах в листьях чая и теобромин (924), содержащийся в бобах какао. Известный природный фактор роста – фолиевая кислота (925) – производное птеридина. Производными конденсированной трициклической системы –бензо[g]птеридина –являются рибофлавин (витамин В₂) (926) и важный кофермент флавинмононуклеотид (FMN) (927):

Наиболее важные природные соединения, включающие гетероциклические системы с двумя и более атомами азота, – нуклеиновые кислоты (НК). Их основные биологические функции – хранение, копирование и передача генетической информации.

Нуклеиновые кислоты – линейные биополимеры; их цепь построена из чередующихся пентозных и фосфатных фрагментов, связанных по типу полиэфира; боковыми группами являются производные пиримидина и пурина – их часто называют гетероциклическими основаниями (на схеме обозначены как B – Base):

В состав нуклеиновых кислот входят фрагменты двух альдопентоз – D-рибозы (Х=ОН) и D-2-дезоксирибозы (Х=Н); первой – в состав рибонуклеиновых кислот (РНК), второй – в состав дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК). Пентозы входят в структуры НК в фуранозной форме.

В качестве боковых групп (гетероциклических оснований) в состав нуклеиновых кислот входят фрагменты пяти соединений: урацила (В¹), тимина (В²), цитозина (В³), аденина (В⁴) и гуанина (В⁵); первые три – производные пиримидина, последние два – производные пурина. Связь между пентозным и гетероциклическим фрагментами осуществляется по типу N-гликозида; в образовании этой связи участвуют атом N¹ пиримидиновых оснований и атом N⁹ пуриновых оснований. В состав любой нуклеиновой кислоты входят только четыре из пяти гетероциклических оснований: в состав ДНК не входит урацил, в состав РНК – тимин.

Фосфатные группы связывают фрагменты пентоз по типу 3’,5’-фосфодиэфирных связей. В физиологических условиях фосфатные гидроксигруппы ионизированы (Р-ОН  Р-О¯ ).

На одном конце полимерной цепи находится звено, содержащее фосфатную группу, соединенную с положением 5’ пентозы; это концевое звено называют 5’-концом; на другом конце – звено, содержащее свободную 3’-ОН – группу; это звено называют 3’-концом. [Положения пентозы обозначают цифрами со штрихом; цифрами без штриха обозначают положения в гетероциклических основаниях].

Элементарные звенья нуклеиновых кислот называют нуклеотидными звеньями; им соответствуют мономеры – нуклеотиды. Нуклеотид включает фрагмент пентозы, гетероциклическое основание и остаток фосфорной кислоты; ниже приведены два примера:

В природных нуклеотидах фосфорилировано положение 5’ пентозы (а не положение 3’); такие нуклеотиды называют нуклеозид-5’-фосфатами (нуклеозид – N-гликозид, образованный из пентозы и гетероциклического основания, см. стр. 288). Если нуклеотид включает D-2-дезоксирибозу [как в соединении (928)], то он называется дезоксирибонуклеотидом, если D-рибозу [как в соединении (929)], то рибонуклеотидом.

Полинуклеотидная цепь может образовываться путем поликонденсации нуклеотидов: группа С^3’-ОН предыдущего звена образует эфирную связь с 5’-фосфатной группой последующего звена ( если вести синтез с 5’-конца, как это и происходит в природе):

Естественно, таким путем могут образовываться и олигонуклеотиды: динуклеотиды (два нуклеотидных звена), тринуклеотиды (три звена) и т.д.

Приведенная схема имеет скорее формальный характер: при лабораторных синтезах олиго- и полинуклеотидов используют модифицированные нуклеозиды и нуклеотиды, а при биосинтезе нуклеиновых кислот мономерами являются не нуклеотиды, а нуклеозид- 5’-трифосфаты – аналоги нуклеотидов, содержащие фрагменты трифосфорной кислоты; в качестве примера можно привести аденозин-5’-трифосфорную кислоту (АТФ):

Синтез полинуклеотидной цепи из этих мономеров идет по той же схеме, что и из нуклеотидов, но в ходе процесса выделяется не вода, а пирофосфорная кислота (точнее – пирофосфат). Нуклеозидтрифосфаты более активны, чем нуклеотиды, т.к. связи Р-О-Р имеют высокую энергию и очень легко подвергаются алкоголизу в условиях синтеза.

Молекулярная масса нуклеиновых кислот варьирует в очень большом диапазоне. Самые низкомолекулярные – транспортные РНК – имеют молекулярную массу порядка 3·10⁴; самые высокомолекулярные – хромосомные ДНК эукариот – до 10¹⁰.

Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются монодисперсными сополимерами, обладающими первичной структурой. Как и в белках, полимерная цепь является стандартной и монотонно построенной; специфика звеньев определяется боковыми группами – гетероциклическими основаниями. Существование специфической первичной структуры позволяет накапливать огромный объём информации, несмотря на то, что первичная структура образована всего четырьмя типами звеньев («четырехбуквенный алфавит», в отличие от белкового –«двадцатибуквенного»).

Как и белки, нуклеиновые кислоты – полимеры с жесткими макромолекулами; для них характерны весьма сильные внутри- и межмолекулярные взаимодействия, из которых особо следует отметить водородные связи между фрагментами гетероциклических оснований. В физиологических условиях нуклеиновые кислоты конформационно стабильны; как и белки, они имеют не только первичную, но и вторичную и третичную структуры.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) – хранители генетической информации, закодированной в первичных структурах ДНК. Вторичная структура большинства ДНК – двойная спираль, образованная фрагментами двух цепей, ориентированных антипараллельно (одна в направлении от 5’-конца к 3’-концу, другая – в обратном направлении) (рис. 10)

Рис. 10. Схема построения двойной спирали ДНК.

Структура двойной спирали энергетически весьма выгодна; главную роль при этом играют два вида взаимодействий:

1. Межцепные водородные связи между фрагментами гетероциклических оснований; при этом образуются связи только в двух парах оснований: аденин-тимин (A-T) и гуанин-цитозин (G-C). В первой паре образуются две водородных связи, во второй –три:

Таутомерные формы оснований обеспечивают их прочное связывание водородными связями. Основания в этих парах столь точно соответствуют друг другу, что длины обеих межцепных «мостиков», образованных парами оснований, абсолютно одинаковы (1,085 нм). Точное структурное соответствие – комплементарность в парах аденин-тимин и гуанин-цитозин обеспечивает не только построение двойной спирали, но и возможность матричного синтеза на макромолекулах ДНК.

2. Взаимодействие между параллельно расположенными парами оснований. В двойной спирали пары плоских оснований расположены параллельно друг над другом на достаточно близком расстоянии («сложены стопкой»). Между параллельными парами оснований возникают силы Ван-дер-Ваальса, которые дополнительно стабилизируют структуру: эти взаимодействия называют стэкинг-взаимодействиями. Стэкинг-взаимодействия стабилизируют двойную спираль «по вертикали», в то время, как водородные связи – «по горизонтали».

Рибонуклеиновые кислоты (РНК) осуществляют передачу генетической информации от ДНК к белкам. Известны три типа РНК: 1. Матричные (информационные), (мРНК); они непосредственно воспринимают информацию от ДНК и передают ее на белки посредством генетического кода; 2. Рибосомные (рибосомальные) (рРНК); они вместе с белками образуют внутриклеточные органеллы – рибосомы, на которых происходит трансляция – матричный синтез белков на матричной РНК; 3. Транспортные (тРНК); они обеспечивают связывание аминокислот с матричной РНК при трансляции.

В отличие от большинства ДНК, которые являются двухцепочечными, РНК существуют в виде одиночных цепей. Вторичная структура наиболее изучена для транспортных РНК; она представляет собой «клеверный лист» (рис. 11). Эта структура стабилизируется внутрицепными водородными связями в парах комплементарных оснований аденин-урацил (А-U) и гуанин-цитозин (G-C).

Вторичные структуры рибосомных РНК намного более сложны, но вероятнее всего построены по тем же принципам, что и для транспортных РНК.

Рис.11. «Клеверный лист» аланиновой тРНК из дрожжей.

Уникальность структуры нуклеиновых кислот не только в том, что они могут содержать огромное количество химической информации, но, прежде всего, в том, что они способны размножать (тиражировать) эту информацию и передавать ее на другие химические объекты – белки. Эти едва ли не самые важные биологические функции осуществляются путем матричного синтеза: макромолекула нуклеиновой кислоты служит матрицей для синтеза другой полимерной цепи, передавая ей свою информацию. Возможность такого считывания информации в ходе синтеза базируется на комплементарности пар гетероциклических оснований в нуклеиновых кислотах: в ходе синтеза гетероциклические основания мономеров «узнают» комплементарные им основания на молекуле-матрице; синтезированная цепь комплементарна матрице (в виде упрощенной схемы показан принцип синтеза макромолекулы ДНК из мономеров в процессе репликации):

Матричный синтез (наряду с ферментативным катализом) – наиболее совершенное воплощение принципа молекулярного распознавания, простейшие варианты которого рассматривались на примере краун-эфиров.

Матричный синтез полимеров осуществляется в ходе трех важнейших генетических процессов: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация – процесс копирования генетической информации. В процессе репликации двойная спираль ДНК расплетается, освобождая единичные цепи, каждая из которых служит матрицей для синтеза из мономеров (дезоксирибонуклеозидтрифосфатов) комплементарной ей цепи ДНК. В результате из одной двухцепочечной макромолекулы образуются две идентичных; количество ДНК удваивается.

Транскрипция – процесс передачи информации от ДНК к РНК; здесь также происходит расплетение двойной спирали ДНК, но только одна одиночная цепь служит матрицей, причем для синтеза не цепи ДНК, а цепи РНК ( здесь мономерами служат рибонуклеозидтрифосфаты).

Трансляция – процесс передачи информации на белок. Здесь мРНК служит матрицей синтеза уже не полинуклеотидной, а полипептидной цепи. Для прохождения этого синтеза нужен посредник (адаптор); таким посредником является тРНК: она узнаёт, с одной стороны, «свою» аминокислоту, а с другой - тот участок мРНК, который кодирует эту аминокислоту (каждая аминокислота кодируется кодоном – специфическим участком мРНК, содержащим три звена).

Репликация, транскрипция и трансляция являются сложнейшими биохимическими процессами, включающими множество стадий и катализируемыми целыми комплексами ферментов. Даже не слишком подробное описание этих процессов выходит за рамки данного курса. Но ключевые моменты всех этих процессов – образование пар комплементарных оснований, как было показано выше.

Матричный синтез – один из наиболее совершенных видов органического синтеза: это программируемый синтез, позволяющий конструировать желаемую молекулу максимально целенаправленно; особо важен матричный синтез для получения полимеров с заданными свойствами. Матричные синтезы в живом организме пока остаются недосягаемым образцом для химиков; тем не менее, определенные успехи достигнуты. Одним из них является метод «репликации в пробирке» – полимеразная цепная реакция (К.Маллис, 1987); этот метод позволяет многократно копировать большие фрагменты ДНК вне организма (используя мономерные нуклеозидтрифосфаты, фермент ДНК-полимеразу и олигонуклеотидные «затравки» – праймеры). Метод весьма прост по исполнению.

Резюме

Шестичленные ароматические гетероциклы, не имеющие заряда, включают атомы азота – один или более. Шестичленная гетероароматическая система, содержащая атом кислорода, может быть только катионной.

Шестичленные гетероароматические соединения являются дефицит- ными; они реагируют с электрофильными реагентами труднее бензоидных ароматических соединений, а с нуклеофильными реагентами - легче. Дефицитность растет при переходе от пиридина к диазинам и особенно сильно проявляется в солях пирилия.

Пиридин и диазины могут алкилироваться по атому азота, образуя четвертичные соли; при действии надкислот они образуют N-оксиды, которые заметно легче реагируют с электрофильными реагентами, чем исходные гетероциклы. Пиридин проявляет свойства довольно слабого основания; еще менее основны диазины.

Шестичленные гетероциклы повышают СН-кислотность связанных с ними метильных и метиленовых групп, которые вследствие этого могут играть роль метиленовых компонент в реакциях конденсации с карбонильными соединениями. Для многих гидроксипроизводных пиридина и диазинов наблюдается переход в таутомерную лактамную форму; для аминопроизводных переход в иминную форму не наблюдается.

Бензоконденсированные производные пиридина и диазинов во многом аналогичны по свойствам соответствующим одноядерным гетероциклам, но в ряде случаев электрофильное замещение идет не по гетероциклическому, а по бензольному ядру.

Производные как одноядерных, так и конденсированных гетероцикли- ческих систем широко распространены в живой природе как алкалоиды, коферменты, факторы роста. Наиболее важными природными соединениями, включающими гетероциклические структуры, являются нуклеиновые кислоты. Решающую роль в их биологических функциях играют гетероциклические фрагменты: они придают устойчивость нативным конформациям нуклеиновых кислот и обеспечивают комплементарность звеньев; это позволяет осуществлять матричный синтез и таким путем копировать и передавать наследственную информацию.

465