12.5.4. Важнейшие представители и медико-биологическое значение

Пиримидин— бесцветное вещество со слабым запахом; температура плавления 294К, кипения — 397К; растворяется в воде.

Пиразин — бесцветное кристаллическое вещество со слабым запахом; температура плавления 330К, кипения — 391К; растворяется в воде. Получают каталитическим дегидрированием пиперазина.

Пиридазин— бесцветная жидкость со слабым запахом; температура плавления 265К, кипения — 481К; растворяется в воде.

Барбитуровая кислота — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 518К; растворяется в воде. Получают из малонового эфира и мочевины. Стабильной таутомерной формой является триоксоформа.

В медицине применяются 1,5,5-тризамещённые барбитуровые кислоты («барбитураты»). Они обладают снотворным (а некоторые и противоэпилептическим) действием.

где R – чаще всего водород, а R, R – алкил или арил

Наиболее известными препаратами этого ряда являются барбитал, барбитал-натрий, барбамил (амитал-натрий), этаминал-натрий (нембутал, пентобарбитал-натрий), циклобарбитал (фанодорм), гексенал (гексобарбитал-натрий), тиопентал-натрий и др.

Пурин — бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 489К; растворяется в воде. Получают из 5,6-диаминопиримидина.

Оротовая кислота (витамин В₁₃) — промежуточное вещество в биосинтезе пиримидиновых оснований. В качестве лекарственного вещества используется калиевая соль оротовой кислоты (оротат калия) как стимулятор метаболичеких процессов.

оротовая кислота

Мочевая кислота — бесцветное кристаллическое вещество, малорастворимое в воде. Синтетически получают из барбитуровой кислоты. Стабильной таутомерной формой является триоксоформа.

Является продуктом обмена веществ живых организмов.

Урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанинвходят в состав важных природных соединений нуклеотидов и нуклеиновых кислот (см. далее) и поэтому известны под общим названием «нуклеиновые основания». Для урацила, тимина, цитозина и гуанина наиболее стабильными являются оксоформы:

урацил тимин цитозин

аденин гуанин

12.5.5. Нуклеозиды, нуклеотиды и нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты являются составной частью каждой живой клетки. Они представляют собой высокомолекулярные водорастворимые соединения, в макромолекулы которых входят производные пиримидина и пурина (так называемые нуклеиновые основания), фосфорная кислота и моносахарид (пентоза) — D-рибоза или 2-дезокси-D-рибоза. Полинуклеотидная цепь, таким образом, состоит из фосфатных и моносахаридных звеньев за счёт образования фосфодиэфирных связей между положением 5 одной пентозы и положением 3 другой. К рибозе (или дезоксирибозе) присоединены пиримидиновые и пуриновые основания.

где Х–

остатки нуклеиновых оснований: урацила тимина цитозина (только в РНК) (только в ДНК) аденина гуанина

Такая полинуклеотидная цепь представляет первичную структуру нуклеиновых кислот, которая определяется последовательностью расположения нуклеиновых оснований в ней.

Известны два различных типа нуклеиновых кислот — рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие моносахарид D-рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), в которых углеводный остаток представляет собой 2-дезокси-D-рибозу. ДНК содержат два пиримидиновых основания — тимин и цитозин и два пуриновых — аденин и гуанин. В РНК вместо тимина присутствует урацил.

Структурными звеньями нуклеиновых кислот являются мононуклеотиды. Они представляют собой фосфорнокислые эфиры нуклеозидов:

где Х — остаток пиримидинового или пуринового основания

нуклеозид-5-фосфат

В свободном состоянии существуют также дифосфаты и трифосфаты. Так, аденозин-5-трифосфорная кислота (АТФ) играет важную роль в процессах обмена веществ в живых организмах.

АТФ

При гидролизе связей Р–О–Р выделяется значительное количество энергии (33—46 кДж/моль). Она является своеобразным аккумулятором энергии, поставщиком энергии в различных процессах биосинтеза.

Сложноэфирная связь в нуклеотидах необратимо гидролизуется в щелочной среде, при этом образуются нуклеозиды, являющиеся N-гликозидами рибозы или дезоксирибозы — уридин, тимидин (2-дезокситимидин), цитидин, 2-дезоксицитидин, аденозин, 2-дезоксиаденозин, гуанозин, 2-дезоксигуанозин:

где Х — остаток пиримидинового или пуринового основания

Гликозиды сахаров, как известно, подвергаются кислотному гидролизу (гл. 7.1.2.2). При гидролизе нуклеозидов образуются D-рибоза (или 2-дезокси-D-рибоза) и соответствующее гетероциклическое соединение (урацил, тимин, цитозин, аденин, гуанин).

Если первичная структура нуклеиновых кислот — это полинуклеотидная цепь, то вторичная структура представляет пространственное расположение макромолекул. Это определяется внутримолекулярным и межмолекулярным взаимодействием и стабилизируется главным образом посредством водородных связей. Известны одноцепочечные нуклеиновые кислоты, цепь которых может принимать различные пространственные формы, в том числе спиралеобразные; в них плоские фрагменты пиримидина и пурина, как правило, расположены одна над другой в виде стопки.

Для многих ДНК вторичная структура представляет собой комплекс из двух полинуклеотидных цепей. Такие нуклеиновые кислоты называются двухцепочечными. Как показали в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, двухцепочечные нуклеиновые кислоты в пространстве образуют структуру двойной спирали. Каждая цепь макромолекулы закручена в спираль, при этом спирали связаны между собой посредством водородных связей, которые образуются между пиримидиновыми и пуриновыми остатками.

Образование таких водородных связей очень специфично и возможно только между адениновым остатком одной цепи и тиминовым остатком другой, который расположен строго напротив первого, а также между цитозиновым остатком первой цепи и гуаниновым остатком другой. И, напротив, аденин не может образовывать мультивалентные водородные связи с цитозином, а цитозин не может образовывать связи с аденином. Образование таких специфических пар — это пример комплементарности, то есть полного пространственного и зарядового соответствия взаимодействующих молекул. Комплементарные пары:

Т—А

	к основной цепи
к основной цепи

Ц—Г

	к основной цепи
к основной цепи

В особых условиях двойная спираль может раскручиваться с образованием одноцепочечных фрагментов нуклеиновых кислот.

В состав клеточного ядра бактерий входят ДНК с молекулярной массой  2,810⁶. В ядрах клеток высших животных и растений находятся ДНК большой длины ( до 2 мм) и молекулярной массой > 510⁹.

Рибонуклеиновые кислоты, подобно ДНК, являются необходимыми компонентами живых клеток. Разные типы РНК имеют различные биологические функции.

В клетке встречаются в основном три типа РНК: рибосомальные, транспортные и информационные. Рибосомальные РНК имеют молекулярную массу 10⁴  10⁶. Транспортные РНК способны связываться с аминокислотами, причём каждый вид только с определённой аминокислотой; их молекулярная масса 310⁴. Информационные РНК, участвуя в передаче генетической информации, определяют аминокислотную последовательность синтезируемого белка. Все вместе они образуют белоксинтезирующий аппарат клетки.

Генетическая информация — это набор данных, определяющих структурные и функциональные свойства клеток. Носителями генетической информации служат ДНК (в отдельных случаях РНК); генетическая информация (генетический код) об аминокислотной последовательности белка зашифрована в нуклеотидной последовательности нуклеиновых кислот.

Каждая аминокислота синтезируемого белка кодируется последовательностью трёх нуклеотидов (триплетом, кодоном), однако большинство аминокислот кодируется более чем одним триплетом, часто — двумя различными триплетами, в некоторых случаях даже четырьмя. В процессе митоза генетическая информация передаётся при расплетении двух цепей спирали ДНК. Затем происходит репликация (дубликация, копирование) за счёт того, что на каждой старой цепи синтезируется новая дочерняя цепь, при этом происходит строго специфическое связывание пар нуклеиновых оснований А–Т и Г–Ц водородными связями, благодаря чему получается точная копия молекул ДНК.