Слесарев. Основы Химии живого

НАДФ(Н), где указанный фрагмент, приняв два электрона и про­ тон, превратился в 1,4-дигидропиридиновую группировку:

сопряженная окислительно-восстановительная пара

Все окислительно-восстановительные превращения биосубстра­ тов под действием никотинамиднуклеотидов являются реакция­ ми межмолекулярной дисмутации за счет углеродных атомов участников реакции. При переходе окисленной формы кофер­ ментов в восстановленную происходит накопление энергии, вы­ деляемой при окислении субстрата. Накопленная восстановлен­ ной формой энергия затем расходуется в других эндэргонических процессах с участием этих коферментов (разд. 9.3.3).

Пи ри д о кс а л ь фо с фа т и витамин Be- В пиридоксальфосфате за счет электронодефицитности пиридинового кольца у углеродного атома альдегидной группы повышается склонность к окислительно-восстановительным превращениям. Поэтому это со­ единение является коферментом окислительно-восстановительных реакций трансаминирования а-кетокислот а-аминокислотами и в реакциях декарбоксилирования ряда аминокислот (разд. 21.2.5).

ну ° »

h o ^ J l ^ c h 2o — р — о н

витамин Be (пиридоксин)

Сочетание трех индивидуальных веществ: пиридоксола, пиридоксамина и пиридоксаля - рассматривают как витамин В$

(пиридоксин), так как в организме они все способны перейти в пиридоксальфосфат, участвующий в химических реакциях, свя­ занных с деятельностью данного витамина. Отсутствие в пище витамина Be сопровождается резким нарушением обмена белков

621

и липидов, что ведет к развитию атеросклероза, различных дер­ матитов и нарушению кроветворения.

П и р и м и д и н и его п р о и з в о д н ы е . Пиримидин со­ держит два атома азота в положениях 1 и 3 шестичленного цикла, имеющего ароматическую шестиэлектронную я-систему. В связи с тем, что оба атома азота находятся в sp2-II состоянии и их неподеленные электронные пары не участвуют в образовании ароматической системы, пиримидин проявляет свойства слабого основания (рЛГа(ВН+) * 1,3):

Основность пиримидина резко понижена по сравнению с пири­ дином (pJFCa(BH+) —5,2) из-за электроноакцепторных свойств второго атома азота, находящегося в ядре. Протонизация одного атома азота настолько понижает основность другого атома азота, что дальней­ шее солеобразование в естественных условиях не происходит.

Большое значение в химии нуклеиновых кислот имеют сле­ дующие оксо- и аминопроизводные пиримидина: урацил, тимин

и цитозин:

Для этих соединений теоретически возможна прототропная лактим-лактамная таутомерия. Соответствующие таутомеры различаются не только положением протона (у атома кислорода или у атома азота), но и электронным состоянием атома азота (sjd2-II или sp2-I):

*6

Is © и

— с —N—

У таутомеров имеется общий амбидентный анион, отрицатель­ ный заряд которого делокализован между атомами, участвую­ щими в таутомерии. Последнее обстоятельство объясняет двойст­ венную реакционную способность рассмотренных соединений, т. е.

622

способность образовывать и О- и N-производные. Исследования кислотно-основных свойств и спектральных характеристик ука­ занных оксопиримидинов и родственных им соединений свиде­ тельствуют, что и в кристаллах, и в растворах для них характер­ на только лактамная форма, а их ионы амбидентны.

Урацил и тимин в естественных условиях являются слабы­ ми двухосновными кислотами, причем их моноанионы сущест­ вуют в виде двух таутомеров, различающихся положением ос­ тавшегося протона у атомов азота N-1 или N-З и распределени­ ем делокализованного отрицательного заряда:

R

Н

смесь таутомеров моноаниона дианион

Таким образом, в биологических средах с рН<7,5 урацил и тимин существуют в молекулярной форме.

Цитозин - амфолит: он протонируется по атому N-1, имеюще­ му свободную от участия в сопряжении электронную пару, а за счет депротонирования атома N-З проявляет слабые кислотные свойства:

(«NH2

В биологических средах с pH —3 -г 6 цитозин существует в виде смеси катионов и молекул, а при pH » 7 - в молекулярной форме.

Среди природных оксипиримидинов важную роль играют

оротовая и барбитуровая кислоты. Оротовая кислота (урацил- 6-карбоновая кислота) является метаболитом, участвующим в превращении аспарагиновой кислоты в пиримидиновые произ­ водные. В условиях организма это довольно сильная двухоснов­ ная кислота:

О

Н

Р*?-9,5

оротовая кислота

623

Оротат калия - стимулятор обменных процессов в организме. Для барбитуровой кислоты характерна кето-енольная тауто­

мерия с преобладанием кетотаутомера (« 98 %). Барбитуровая кислота - достаточно сильная СН-кислота. Лактимная форма для этой кислоты не обнаружена.

барбитуровая кислота

В медицине в качестве снотворных и противосудорожных средств применяют 5,5-дизамещенные барбитуровые кислоты: бар-

битал и фенобарбиталу называемые барбитуратами. Они суще­ ствуют только в лактамной форме и являются слабыми NH-ки­ слотами:

бициклическое гетероциклическое соединение, содержащее ядро пиримидина и имидазола. Его ароматическая я-

624

Оксо- и аминопроизводные пурина - аденин и гуанин вхо­ дят в состав нуклеиновых кислот. В молекуле аденина у трех атомов азота N-l, N-3 и N-7 неподеленные электронные пары не участвуют в сопряжении, находясь на вр2-орбиталях, у двух других атомов азота неподеленные электронные пары, находясь на р-орбиталях, активно участвуют в сопряжении. Для аденина, как и для пурина, наблюдается прототропная таутомерия за счет миграции протона между N-7 и N-9. Обычно аденин изобража­ ют с протоном у атома N-9, хотя в его водных растворах содер­ жание таутомера N7H в 2,5 раза выше. Аденин является амфолитом, способным, в зависимости от кислотности среды, или присоединять протон к пиримидиновому атому азота, образуя катион, или отщеплять протон от имидазольного атома азота с образованием аниона:

В биологических средах с pH » 7 аденин находится в основном

ввиде молекул, а в кислых средах (pH —3 + 6) - в виде смеси молекул и катионов. Аденин входит в состав некоторых ко­ ферментов, аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и ее произ­ водных АДФ и АМФ.

Для гуанина характерна лактамная форма, поэтому неподелен­ ная электронная пара атома N-1 находится на р-орбитали и активно участвует в сопряжении. В соответствии с кислотно-основными свойствами гуанин, в зависимости от рН-среды, в водных растворах может находиться в форме катиона, молекулы, моноили дианиона:

В биологических средах с pH = 3 -г 6 гуанин находится в виде сме­ си молекул и катионов, а при pH = 7 -г 9 - молекул и моноанионов.

Таким образом, из всех азотистых оснований нуклеиновых кислот наиболее сильные основные свойства проявляет аденин.

В условиях организма цитозин и гуанин - слабые основания, а урацил и тимин - слабые кислоты. Для всех этих гетероцикли­ ческих соединений характерно образование водородных связей, при котором они выступают одновременно и как доноры, и как акцепторы протонов. Эта их способность реализуется при по­ строении нуклеиновых кислот (разд. 23.4).

Среди оксопроизводных пурина следует выделить кофеин и мочевую кислоту. Кофеин содержится в кофейных зернах, бо­ бах какао и чайных листьях. Это сильнодействующий возбуди­ тель центральной нервной системы и стимулятор работы серд­ ца. Кофеин является основанием и образует соли с кислотами.

Мочевая кислота - продукт обмена веществ в живых организ- 'мах. В значительных количествах встречается в экскрементах птиц (« 25 %) и особенно змей (« 90 %). Мочевая кислота явля­ ется двухосновной NH-кислотой ( р 5,4, а р * 11,3) и об­ разует два ряда солей-уратов, большинство из которых, как и сама мочевая кислота, плохо растворяются в воде.

2 3 .4 . НУКЛЕОЗИДЫ , НУКЛЕОТИДЫ И НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ , ИХ СТРУКТУРА И СВОЙ СТВА

Нуклеозиды и нуклеотиды являются продуктами гидролиза нуклеиновых кислот, но они присутствуют в живых организмах также в несвязанном состоянии, выполняя исключительно важную роль в обмене веществ.

Нуклеозиды - это природные гликозиды гетероциклических азотистых оснований (пиримидиновых и пуриновых), которые связаны с пентозами через атом азота. В зависимости от природы углеводного остатка (пентозы) различают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды.

нуклеозид

Названия нуклеозидов производятся от тривиального назва­ ния соответствующего гетероциклического азотистого основания с суффиксами -идин у пиримидиновых и -озин у пуриновых нуклеозидов. Исключение их этого правила сделано для нук­ леозидов тимина.

626

Нуклеозиды сокращенно чаще обозначают однобуквенным ин­ дексом» но существует также система трехбуквенного индекса.

Нуклеозиды, являясь N-гликозидами, устойчивы к гидролизу в слабощелочной среде, но расщепляются в кислой среде. Пурино­ вые нуклеозиды гидролизуются легко, пиримидиновые - труднее.

Нуклеотиды называют или как соответствующие кислоты (монозамещенные производные фосфорной кислоты), или как соли (монофосфаты) с указанием в обоих случаях положения фосфат­ ного остатка:

Поскольку с учетом значений рК1а и р н у к л е о т и д ы в фи­ зиологических условиях находятся в ионизованном состоянии, последний способ предпочтительнее.

Большое значение в живых системах играют нуклеотиды, содержащие в своем составе ди- и трифосфатные группировки. Важнейшими среди этих про'изводных являются аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ), которые способ­ ны к взаимопревращениям путем наращивания или отщепле­ ния фосфатных групп:

NH2

аденозиндифосфат (АДФ3 )

В этих соединениях фосфатные группы в физиологических условиях почти полностью ионизованы, поэтому их часто запи­ сывают в виде анионов АТФ4-, АДФ8~. Главная особенность этих нуклеотидов состоит в том, что их полифосфатные группы содер-

жат одну или две ангидридные группы — Р— О—Р— . При гид­ ролизе такой группы разрывается связь, называемая макроэргической, и выделяется около 33 кДж/моль (разд. 4.5). Именно с этим связана роль АТФ в клетке как поставщика химической энергии для биохимических и физиологических процессов.

При участии АТФ в организме также осуществляется реак­ ция фосфорилирования гидроксилсодержащих соединений с об­ разованием сложных эфиров фосфорной кислоты:

R—ОН + АТФ —► R—О—PvЬок+ АДФ ОН

При фосфорилировании карбоксилсодержащих соединений об­ разуются ацилфосфаты, которые содержат ангидридную группи­

ровку — С— О—РСГ •

и

оо

Фосфорилированные производные выступают активными метаболитами во многих биохимических процессах.

628

Нуклеотидами являются многие кофермеыты, например НАД- и ФАД-производные аденозинфосфата, а коэнзим А - производ­ ное аденозиндифосфата. Важнейшая биологическая роль нуклео­ тидов заключается в том, что из них построены нуклеиновые кислоты (полинуклеотиды).

Нуклеиновые кислоты в живых организмах играют глав­ ную роль в передаче наследственных признаков (генетической информации) и управлении процессом биосинтеза белка. Нук­ леиновые кислоты - высокомолекулярные соединения с моле­ кулярной массой от 20 тысяч до десятка миллиардов. Их поли­ мерные цепи построены из мономерных звеньев-нуклеотидов. Особенность нуклеотидного звена заключается в том, что оно представляет собой трехкомпонентное образование, состоящее из гетероциклического азотсодержащего основания, углеводно­ го компонента - пентозы - и фосфатной группы. Каркас поли­ мерной цепи состоит из чередующихся пентозных и фосфатных остатков, связанных сложноэфирными связями (у С-3' и С-5'), а гетероциклические основания являются «боковыми» группами, присоединенными к пентозным остаткам за счет N-гликозидной связи:

П е р в и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т определяется природой и последовательностью нуклеотидных звеньев, связанных сложноэфирными связями между пентозами и фосфатными группами (рис. 23.2).

В т о р и ч н а я с т р у к т у р а н у к л е и н о в ы х к и с л о т . Согласно вторичной структуре полинуклеотидная цепь представ­ ляет собой двойную спираль, в которой пуриновые и пиримиди­ новые основания направлены внутрь. Между пуриновым основа­ нием одной цепи и пиримидиновым основанием другой цепи имеются водородные связи, стабилизирующие такую структуру. Основания, образующие пары, связанные водородными связями, называются комплементарными. В ДНК комплементарными бу­ дут: аденин - тимин, образующие между собой две водородные связи, и гуанин - цитозину связанные тремя водородными свя­ зями (рис. 23.3). Это означает, что пуриновым основаниям аденину и гуанину в одной цепи будут соответствовать пиримиди­ новые основания тимин и цитозин в другой цепи. Полинуклеотидные цепи, образующие двойную спираль, не идентичны, но комплементарны между собой.

629

[—о—сн2

СНз

Рис. 23.2. Первичная структура участка цепи нуклеиновых кислот