Полифункциональные производные органических соединений. Учебное пособие

Для промышленного производства этанола использу- ют более крупные и дешевые источники сахаристых веществ

– крахмал (из картофеля, кукурузы, других злаков) или клет- чатку. Крахмал нагревают с водой под давлением в автоклаве при температуре выше 100°С. При этом получается клейсте- рообразная масса, которую подвергают осахариванию (фер- ментативному гидролизу) под действием солода или специ- альных микроорганизмов. Солод – это измельченные про- росшие зерна ячменя, накопившие ферменты (диастазу). Клейстер осахаривается диастазой в мальтозу, после чего осуществляют процесс брожения. Полученную водноспирто- вую смесь подвергают перегонке (ректификации), получая этиловый спирт необходимой концентрации. Этиловый спирт, произведенный сбраживанием продуктов гидролиза крахмала, используется в пищевых и медицинских целях; этиловый спирт, произведенный сбраживанием продуктов гидролиза целлюлозы – в технических целях.

При спиртовом брожении фермент пируватдекарбок- силаза декарбоксилирует пировиноградную кислоту (X) в ацетальдегид (XI), который восстанавливается в этанол (XII) за счет молекулы НАД•Н2:

Из одной молекулы глюкозы в процессе спиртового брожения образуются две молекулы этанола и две молекулы диоксида углерода.

Пируват может восстанавливаться до лактата (молоч-

нокислое брожение):

Молочная кислота образуется в мышечной ткани во время интенсивной работы, вследствие чего возникает харак- терная боль в мускулах.

111

(образование макроэргического соединения АТФ).

Темновая стадия фотосинтеза – восстановление угле- кислого газа до органического вещества:

Темновые реакции восстановления углекислого газа осуществляются после связывания СО2 в результате карбок- силирования рибулозо-1,5-дифосфата, который образуется путем фосфорилирования рибулозо-5-фосфата – продукта апотомического распада глюкозы, всегда присутствующего в клетке. Именно на этом этапе расходуется АТФ, необходимая для первичного биосинтеза углеводов:

Рибулозо-1,5-дифосфат сначала изомеризуется в енольную форму, которая затем присоединяет углекислый газ. Возникший промежуточный продукт расщепляется на две молекулы фосфоглицериновой кислоты:

114

Далее 3-фосфоглицериновая кислота восстанавливает- ся в 3-фосфоглицериновый альдегид:

115

Данная реакция представляет собой обращение про- цесса перехода 3-фосфоглицеринового альдегида в 3- фосфоглицериновую кислоту, который происходит при дихо- томическом распаде глюкозы.

Дальнейший путь синтеза углеводов из 3- фосфоглицеринового альдегида представляет обращение ди- хотомического пути распада углеводов: фосфоглицериновый альдегид переходит в фосфодиоксиацетон; при воздействии альдолазы из упомянутых фосфотриоз синтезируется фрукто- зо-1,6-дифосфат, переходящий во фруктозо-6-фосфат путем гидролиза под действием фруктозо-1,6-дифосфатазы. Фрук- тозо-6-фосфат легко превращается в фосфорные эфиры дру- гих моносахаридов, что в итоге обеспечивает синтез всего набора природных моносахаридов, а из них – дисахаридов и полисахаридов:

116

Альдолаза

Фруктозо-1,6-дифосфат

Углеводы

117

7. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные биомо- лекулы (биополимеры), которые наряду с белками играют первостепенную роль в жизнедеятельности любой живой клетки: бактерий, растений, животных, человека. Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского «нуклеус», т.е. ядро. Впервые нуклеиновые кислоты были обнаружены в ядрах клеток в 1869 году немецким ученым Ф.Мишером.

Значение нуклеиновых кислот определяется тем, что они обеспечивают как хранение, так и передачу генетической информации. Через нуклеиновые кислоты передаются все на- следственные признаки организма. Именно нуклеиновые ки- слоты ответственны за то, что из семечка яблони вырастает именно это дерево, а не дуб или береза.

Существует два вида нуклеиновых кислот: рибонук-

леиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). РНК обна-

ружены во всех частях клетки, однако наибольшее их количе- ство сосредоточено в рибосомах – органоидах клетки, где происходит синтез белка.

ДНК находятся в ядрах клетки. ДНК – это биологиче- ская молекула, которая содержит все сведения о строении ор- ганизма. Отдельные участки ДНК, в которых содержится ин- формация, обеспечивающая развитие какого-либо определен- ного признака организма, носят название генов.

Строение нуклеиновых кислот. Рассмотрим, из каких структурных элементов построены нуклеиновые кислоты. Каждая полимерная молекула состоит из мономерных звень- ев. Для нуклеиновых кислот такими мономерами являются нуклеотиды. Следовательно, нуклеиновые кислоты – это биополимеры, построенные из нуклеотидов. Каждый нуклео- тид-мономер в свою очередь является сложной молекулой, состоящей из пентозы (рибозы или дезоксирибозы), азото- содержащего гетероцикла (пуринового или пиримидинового

ряда) и фосфорной кислоты.

118

Три составные части нуклеотидов.

Пентозы. В состав нуклеотида пентозы входят в виде β,-D-рибофуранозы и β,-D-2/ дезоксирибофуранозы. Углерод- ные атомы обеих пентоз нумеруются цифрами со штрихом:

β,− D-рибофураноза β, −D-2/-дезоксирибофуранозы

Вдальнейшем будем называть их сокращенно рибозой

идезоксирибозой. Напомним, что гидроксил у углерода 11 называют гликозидным.

Азотосодержащие гетероциклы. В нуклеиновых ки-

слотах содержится пять основных гетероциклов: производ- ные пурина – аденин (А) и гуанин (Г); производные пирими-

дина – цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У) (рис. 16). Кроме аденина, все гетероциклы существуют в виде двух таутомер- ных форм. Углеродные атомы гетероциклов нумеруются цифрами без штрихов.

NNH

тимин (Т) (метилурацил)

Рис. 16. Строение азотсодержащих гетероциклов

119

Остаток фосфорной кислоты – это третья составная часть нуклеотида. Фосфорная кислота образует сложный эфир с гидроксилом у 5/ углеродного атома рибозы и дезок- сирибозы.

Нуклеозиды. Так называются сложные молекулы, со- стоящие из азотосодержащего гетероцикла рибозы или дезок- сирибозы. Связь между этими двумя компонентами осущест- вляется всегда через 11 углеродный атом одной из пентоз и атом N1–пиримидинового или N9 пуринового гетероцикла. Следовательно, пентозы в образовании связи участвуют сво- им гликозидным гидроксилом. Отсюда и название – нуклео- зиды. Из РНК выделено гидролизом 4 нуклеозида: цитидин

(I), аденозин (II), гуанозин (III), и уридин (IV) При гидролизе ДНК также образуются 4 нуклеозида: 2/дезоксицитидин (V),

2/дезоксиаденозин (VI), 2/дезоксигуанозин (VII),

2/дезокситимидин (VIII) (рис. 17).

Нуклеотиды. Как уже отмечалось, нуклеотиды явля- ются мономерами нуклеиновых кислот. Они состоят из нук- леозидов, связанных через гидроксил у 5/ атома углерода пентозы с фосфорной кислотой. Поэтому их можно рассмат- ривать как эфиры фосфорной кислоты. Из природных нук- леиновых кислот выделено восемь типов нуклеотидов (рис. 18).

(I) X=OH аденозин-5/-монофосфат (АМФ или аденило- вая кислота); X=H 2/-дезоксиаденозин-5/-монофосфат (АМФ или дезоксиадениловая кислота); (II) X=OH гуанозин-5/- монофосфат (ГМФ или гуаниловая кислота) X=H 2/-

дезоксигуанозин-5/-монофосфат (ДГМФ или дезоксигуанило- вая кислота); (III) X=OH цитидин-5/-монофосфат (ЦМФ или

цитидиловая кислота) X=H 2/-дезоксицитидин-5/-

монофосфат (ДЦМФ или дезоксицитидиловая кислота); (IV) 2/-дезокситимидин-5/-монофосфат (ДТМФ или дезокситими- диловая кислота); (V) уридин-5/-монофосфат (УМФ или ури-

диловая кислота).

120