Азотистые основания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации»

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ХИМИИ

Дисциплина «Химия вокруг нас»

РЕФЕРАТ

Азотистые основания

Выполнил:

Студент 1-го курса группы № 34

лечебного факультета

Синицин А.В.

Новосибирск

2015

Азотистые основания плохо растворимы в воде, однако в составе нуклеозидов и нуклеотидов их растворимость заметно увеличивается. Пуриновые и пиримидиновые основания характеризуются высокой температурой плавления (>300 °С). Рентгеноструктурный анализ пуриновых и пиримидиновых оснований показал, что молекулы пиримидинов имеют плоское, а молекулы пуринов -- псевдоплоское строение. Пурины и пиримидины представляют собой слабые основания с 9,5 (для азота шестичленного ароматического кольца). Важной особенностью пуриновых и пиримидиновых оснований (за исключением аденина) является их способность к лактам-лактимной таутомерии. Так, урацил может находиться в форме как лактима, так и лактама.

НУКЛЕОТИДЫ -- сложные органические вещества, природные биологически активные соединения, распространены в животных, растительных тканях и микроорганизмах как в свободном состоянии, так и в составе различных соединений (нуклеиновых кислот, некоторых коферментов и витаминов). Н. состоят из остатков фосфорной кислоты, углевода (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого основания (нуклеозида). Играют огромную роль в процессах обмена веществ и энергии живых организмов. химический нуклеозид гидролиз азотистый

ЯМР высокого разрешения используется для изучения нуклеиновых кислот не столь широко, как для исследования полипептидов и белков. Хотя литература по спектрам ЯМР азотистых оснований (т. е. замещенных пуринов и пиримидинов), а также нуклеозидов и нуклеотидов чрезвычайно обширна, работ по исследованию самих нуклеиновых кислот весьма мало, а число существенных выводов из этих работ еще меньше. Поэтому мы рассмотрим эти полимеры и составляющие их единицы значительно более кратко, чем полипептиды.

Соединение сахара с азотистым основанием называется нуклеозидом, а соединение сахара, азотистого основания и остатка фосфорной кислоты -- нуклеотидом. Наследственная информация в молоку. пах нуклеиновых кислот записана последовательностью четырех.

Основными хромофорами нуклеиновых кислот являются пуриновые (аденин и гуанин) и пиримидиновые цитозин и тимин у ДНК, цитозин и урацил у РНК) азотистые основания нуклеотидов. Все эти соединения, как и соответствующие нуклеозиды и нуклеотиды, обнаруживают длинноволновую границу поглощения при А=300 нм. За поглощение света ответственна в основном я-электронная система колец (я --я -переходы). Полосы поглощения оснований (максимум около 260 нм), сформированные п -- я -переходами, характеризуются высокой молярной экстинкцией. Некоторый вклад в общее поглощение, особенно в длинноволновой части спектра, вносят п -- я -переходы с участием не-поделенной пары электронов гетероатомов азота и кислорода. Участие п -- я -переходов наиболее существенно в малополярных растворителях и проявляется в спектрах поглощения в виде плеч в области 280 -- 320 нм. Выраженное влияние на положение максимума спектра поглощения оснований и прежде всего на относительную энергию я -- я - и п -- я -переходов оказывают заместители в пуриновом и пиримидиновом кольцах. Наибольший эффект при этом вызывают заместители при углеродном атоме во втором и четвертом положении у пиримидинов и втором и шестом положении у пуринов.

Пуриновые нуклеотиды синтезируются запасным путем из азотистых оснований и нуклеозидов.

Соединения из азотистого основания и углеводного компонента носят общее название нуклеозидов. Соединения из азотистого основания, углеводного компонента и остатка фосфорной кислоты, представляющие собой фосфорнокислые эфиры нуклеозидов, называются нуклеотидами. Нуклеотид -- основная полимерная единица, из которой складывается сложная полимерная цепь нуклеиновой кислоты, состоящей из сотен и тысяч нуклеотидов.

Рибоза и дезоксирибоза отличаются наличием или отсутствием гидроксила у 2 атома С. У каждого 1 атома сахара подвешено пуриновое или пиримидиновое основание. Пуриновые основания одинаковы у ДНК и РНК -- это аденин и гуанин. Пиримидиновые слегка различаются у ДНК -- это тимин и цитозин, у РНК -- это урацил и цитозин. Звено полинуклеотидной цепи -- один из четырех различных нуклеотидов. Если у такого звена отщепить фосфорную кислоту, то оно превращается в нуклеозид -- соединение двух компонентов сахара и азотистого основания. Естественно, что полинуклеотидная цепь несимметрична. Мы можем условно приписать ей направление от 3 к 5 атому каждого звена сахара.

Изучение показало, что молекула ДНК представляет собой длинную неразветвленную цепь, остов которой образован чередующимися пятиуглеродными молекулами монозы, 2-де-зокси- -рибозы и остатками ортофосфорной кислоты. К каждому остатку дезоксирибозы присоединено азотистое основание или из класса пуринов -- аденин или гуанин -- или из класса пиримидинов--тимин или цитозин. Единица структуры нуклеиновой кислоты, состоящая из фосфата, сахара и основания, называется нуклеотидом. Единица структуры, состоящая из основания и сахара, называется нуклеозидом.

В составе нуклеотидов различают нуклеозиды, под которыми имеют в виду соединенные вместе первые две составные части азотистое основание и моносахарид.

При образовании нуклеозидов связь между азотистым основанием и моносахаридом возникает за счет гликозидного гидроксила пентозы и водорода у атома азота в положении 9 пуринового основания или в положении 3 пиримидинового основания. Чаще всего азотистые основания имеют здесь кетонную форму. Соединение остатка фосфорной кислоты с нуклеозидом в нуклеотиде происходит при образовании сложного эфира, за счет гидроксила кислоты и гидроксила пентозы в положении 5 или 3. Приводим примеры строения нуклеозидов и нуклеотидов.

Как и в других обзорах на эту тему, описание методов разделения построено по традиционной схеме от сравнительно простых соединений (азотистых оснований, нуклеозидов и нуклеотидов) к все более сложным -- олигонуклеотидам и различным классам РНК и ДНК- В заключительных разделах основное внимание уделено использованию хроматографии и электрофореза при определении нуклеотидной последовательности и для разделения нуклеопротеидов. Как правило, вначале описываются методы хроматографии, а затем -- электрофореза. Этот обзор не претендует на роль исчерпывающей монографии, он скорее дает оценку современному состоянию исследований в данной области, акцентируя внимание на достижениях последних нескольких лет. Во многих случаях приведены примеры использования конкретной методики с целью проиллюстрировать ее возможности.

В медицинской практике, в частности в онкологии, нашли широкое применение синтетические аналоги как азотистых оснований, так нуклеозидов и нуклеотидов. Эти аналоги, имеющие небольшие модификации в структуре основания или углевода, встраиваясь в соответствующие клеточные компоненты, оказывают заметный цитотоксический эффект. К наиболее распространенным лекарственным препаратам-аналогам пуриновых и пиримидиновых оснований (и соответствующим нуклеотидам) относятся 5-фторурацил, 6-тио- и 6-меркаптопурин, 8-азагуанин, 6-азаури-дин и 6-азацитидин, а также 5-йодпроизводное дезоксиуридина.

Для определения состава нуклеиновых кислот их расщепляют, образующиеся азотистые основания, нуклеозиды и нуклеотиды разделяют и оценивают их относительное содержание.

Все нуклеозиды (азотистое основание -- углевод) не заряжены при нейтральном значении pH. Все нуклеотиды (азотистое основание -- углевод-фосфорная кислота) имеют отрицательный заряд, в связи с чем полинуклеотидная цепь (первичная структура ДНК) является полианионом. Для ДНК установлены закономерности соотношения нуклеотидов, названные правилами Чаргаффа 1) сумма пуриновых нуклеотидов равна сумме пиримидиновых нуклеотидов (А+Г/Ц+Т=1) 2) содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина (А=Т, Г=Ц).

Из промежуточных продуктов обмена нуклеиновых кислот в плазме крови можно обнаружить нуклеотиды, нуклеозиды, азотистые основания. Конечным продуктом распада нуклеиновых кислот является мочевая кислота, которая в небольшой концентрация всегда содержится в крови.

Для нуклеозидов и нуклеотидов большое значение имеет взаимное расположение азотистого основания и углеводного кольца. Считают, что плоскости колец основания и сахара приблизительно перпендикулярны, но основание может вращаться вокруг гликозидной связи. В связи с этим для полной характеристики взаимного расположения плоскостей основания и сахара необходимо указать величину торсионного угла ф N Этот двугранный угол образован проекциями связей С - --О и N1--С (в случае пиримидинов) или N9--Се (в случае пуринов). Если связи N1--Св пиримидина (или N9--Сз пурина) и Сх --О сахара антипараллельны, фск считается равным 0° положительные углы отсчитываются по часовой стрелке, отрицательные -- против часовой стрелки, если смотреть в направлении от к N.

Неизмеримо важную роль в биологии играют производные моносахаридов, называемые нуклеозидами и нуклеотидами. Нуклеозиды-- это азотистые аналоги гликозидов, или Ы-гликози-ды, представляющие собой соединение моносахаридного элемента (о-рибозы или 2-дезокси-п-рибозы) с азотистым (пиримидиновым или пуриновым) основанием .

Как правило, рассматривается пять структур нуклеиновых кислот нуклеиновая кслота (ДРНК или РНК), олигонуклеотиды, нуклеотиды, нуклеозиды и азотистые основания от высших (наиболее сложных) полимерных нуклеиновых кислот до низших (простейших) индивидуальных азотистых оснований. Промежуточное положение в группе азотистых оснований занимают нуклеозиды (глико-зиды азотистых оснований), нуклеотиды (фосфатные эфиры нуклеозидов) и олигонуклеотиды (димеры и полимеры нуклеотидов).

Эритроциты не способны синтезировать нуклеотиды de novo и образуют их из азотистых оснований или нуклеозидов. Дополните схему превращения аденина в ADP недостающими компонентами, подобрав к цифрам буквы.

Эти азотистые основания слабо растворимы в воде, одна1Ю в составе нуклеозидов и нуклеотидов их растворимость увеличивается. Они характеризуются высокой температурой плавления >300°С.

Каждый нуклеотид является молекулой, состоящей из пуринового или пиримидинового основания, моносахарида - дезоксирибозы в случае ДНК и фосфатного остатка. В составе ДНК основными азотистыми основаниями являются аденин и гуанин - пуриновые основания, а также цитозин и тимин - пиримидиновые основания. Как пуриновые, так и пиримидиновые основания могут быть в лактимной или лактамной форме. Последняя преобладает в физиологических условиях. В состав РНК входят те же пуриновые основания, что и в ДНК, но вместо тимина РНК содержит урацил, а моносахарид в РНК представлен рибозой. Молекула, содержащая моносахарид и основание, называется нуклеозидом, а после присоединения фосфатной группы - нуклеотидом. В малых количествах в составе НК встречаются такие основания как метилцитозин или оксиметилцитозин, метиладе-нин, метилгуанин, тиоурацил и др.

Нуклеозиды сочетают все свойства углеводов и азотистых оснований. Они хорошо растворшйы в воде и способны кристаллизоваться, как и углеводы. Вступая в реакщпо этерификации с ортофосфорной, пирофосфорной и фифосфорной кислотой, нуклеозиды превращаются в нуклеотиды. Этерификация происходит на первичном гидроксиле и проходит в присутствии ферментов фосфатаз (эстераз).

Соединения азотистых оснований с рибозой и дезоксирибозой называются нуклеозидами -- соответственно рибо- и дезоксири-бонуклеозидами. Нуклеозиды носят названия цитидипа, тими-дина, уридина, аденозина и гуанозина. Фосфорилиро-ванные в положениях 5 и 3 углевода нуклеозиды называются соответственно нуклеозид-5 (или 5 )-фосфатами или нуклеотидами.

Большая часть важнейших коферментов -- я-электронные сопряженные системы, содержащие гетероциклы или ароматические циклы. Как мы видели, к той же группе органических соединений относятся азотистые основания, нуклеозиды и нуклеотиды, из которых строятся цепи нуклеиновых кислот. Низкомолекулярные нуклеозиды и нуклеотиды и их производные в ряде случаев являются коферментами. Вероятно, важнейшим из них следует считать аденозинтрифосфат (АТФ). Сюда же относятся основные участники окислительно-восстановительных процессов -- никотинамидные коферменты НАД и НАДФ и фла-виновые коферменты ФАД и ФМН. Напишем структурную формулу первых двух соединений.

Названия нуклеотидов образуются из названий оснований, входящих в их состав, например ну] отид, содержащий аденин, называют аденозинмонофосфатом (адениловой кислотой). При гидролитическом отщеплении от нуклеотидов остатка фосфорной кислоты образуются соответствующие нуклеозиды. Названия пуриновых нуклеозидов даются по корню названия азотистого основания и суффикса -озин, например аденозин, гуанозин. Отклонение из этого правила делается для гипок-сантин-9-рибозида, который называют инозином. Названия пиримидиновых нуклеозидов характеризуются окончанием идин, например уридин, цитидин, дезокситимидин.

Внешние воздействия, например повышение температуры, добавление органических растворителей и другие, приводят к изменению макроструктуры. Это проявляется вначале в расхождении тяжей друг от друга (этот процесс условно называют плавлением). При гидролизе в достаточно мягких условиях отдельные полииуклеотидные цепи могут распадаться на нуклеотиды. Последние далее отщепляют при действии растворов щелочей фосфорную кислоту и превращаются в соответствующие нуклеозиды. Наконец, в присутствии кислот может протекать также и гидролиз гликозидных связей с образованием 2-дезок-си-О-рибозы и гетероциклических азотистых оснований.

Полиамиды применяются для жидкостной хроматографии липофильных I гидрофильных веществ флавонов, халконов, хинонов, лактонов, ароматически нитросоединений, изомерных нитроанилинов, дубильных веществ, фенолов, орга нических кислот, амидов, аминов, ДНФ- и данзил-производных аминокислот сахаров, гликозидов, сульфокислот и сульфонамидов, азотистых оснований нуклеозидов и нуклеотидов, стероидов, витаминов, пестицидов, красителей антиокислителей, лекарственных жаропонижающих веществ. В хроматографи ческой практике полиамиды используются с 1955--1956 г.

Гликозилированные азотистые основания, т. е. нуклеотиды без фосфатной группы, называются нуклеозидами. Большинство нук-леозидов называют, используя название входящего в него основания с окончанием -озин или -идин. Локанты углеродных атомов углеводного остатка помечаются штрихами. Названия нуклеотидов, фосфорных эфиров нуклеозидов, строятся из названий нуклеозидов с добавлением окончания фосфат и цифрового локанта, соответствующего месту присоединения фосфатной группы к рибозе или дезоксирибозе (это, как правило, 2 -, 3 -или 5 -гидроксильная группа), например тимидин-5 -фосфат.

Химический синтез ДНК -- система методических приемов, ведущих к химическому синтезу межнуклеотидных связей, типичных для природных нуклеиновых кислот. Методы химического синтеза ДНК разработаны Корана с сотрудниками. При помощи дициклогексилкарбодиимида или ароматического сульфанилхлорида они синтезировали фосфодиэфирные связи между предварительно защищенными нуклеозид-ными компонентами, в результате чего получили возможность осуществить ступенчатый синтез полидезоксирибонуклеотидов с заранее заданной последовательностью нуклеотидов. Опыты Ко.рана увенчались блестящим успехом -- был синтезирован фрагмент двухцепочечной ДНК, построенный из 77 пар азотистых оснований и представлявший собой ген, кодировавший тРНК . Этот синтетический продукт пока что наибольший фрагмент ДНК с известной последовательностью нуклеотидов.

Сахар пентоза, входящий в состав РНК, является рибозой, а входящий в состав ДНК, -- 2-дезоксирибозой (отсюда и названия этих кислот -- рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая). Часть нуклеотида, состоящую из сахара с присоединенным к нему азотистым основанием, обозначают как нуклеозид. Поэтому нуклеотиды называются также нуклео-зидмонофосфатами.

Основным структурным элементом нуклеиновых кислот являются соединения, именуемые нуклеотидами. В состав нуклеотида входят азотистое основание, углевод (рибоза или дезо-ксирибоза) и фосфорная кислота. Азотистые основания, соединяясь по типу гликозидов с альдегидным атомом сахара рибозы или дезоксирибозы, образуют нуклеозиды. После присоединения к гидроксилу углеводного компонента в 3- или 5-положении фосфорной кислоты образуются фосфорные эфиры нуклеозидов -- нуклеотиды. В состав нуклеиновой кислоты может входить различное число нуклеотидов -- от нескольких до сотен и даже тысяч.

Нуклеотид состоит из ковалентно связанных молекул пентозы, фосфорной к-ты и азотистого основания. Если от такого звена отщепить фосфорную к-ту, получим нуклеозид (их названия аденозин, гуанозин, тимидин, цитидин и уридин). Цепь Н. к. несимметрична вследствие того, что фосфорная к-та, соединяющая попарно все нуклеозиды, присоединена к пентозе в двух структурно различных положениях к З -атому С и к 5 -атому С. Поэтому полинуклеотидная цепь векто-риальна, ей можно условно приписать направление. Все известные сейчас синтетич. ферменты, ведущие реакции наращивания полинуклеотидных цепей, присоединяют очередное звено всегда только к З -гидрокси.

Это соединение было объектом обширных исследований, проведенных Левиным и обобщенных в 1934 г. Левин предложил общую структуру этой сложной молекулы. Позднее Тодд н другие исследователи выяснили детали строения. тpyкfypa, предложенная для четырехзвеньевого участка цепи, предполагает одну из возможных последовательностей. Основу цепи составляют рибозные остатки, связанные фосфатными группами З -кислородный атом одного остатка с 5 -кислород-ным атомом другого Т -р-гликозидной связью присоединены либо пурины--аденин и гуанин, либо пиримидины--урацил и цитозин. Возможные таутомерные формы азотистых оснований приведены в следующем разделе, где описаны свойства и строение дезоксирибонуклеиновой кислоты. Так как 5 -гидроксильная группа -- первичная, а З -гидроксильная группа -- вторичная, то кислотный гидролиз РНК приводит к расщеплению в первую очередь 5 -эфирной связи с образованием четырех глико-зидов рибозид-З -фосфата, известных как нуклеотиды. Нуклеотид, содержащий аденин, называется адениловой кислотой. Щелочной гидролиз в жестких условиях приводит к отщеплению З -фосфатной группы и дает нуклеозид аденозин, точнее 9-р-Л-рибофуранозиладенин.

Состав продуктов гидролиза нуклеиновых кислот зависит от условий проведения реакции. Нагревание РНК или ДНК при 100X в 70%-ной хлорной кислоте приводит к образованию азотистых оснований [7], тогда как при действии на РНК соляной кислоты образуются пуриновые основания и пиримидиновые нуклеотиды , а щелочной гидролиз РНК дает смесь 3 - и 5 -рибонуклеотидов. В случае ферментативного расщепления нуклеиновых кислот состав продуктов определяется типом использованной нуклеазы. Например, РНКаза Тг расщепляет молекулу РНК до З -рибонуклеотидов , а при последующем действии фосфодиэстеразы из змеиного яда образуются нуклеозиды . Аналогичным образом последовательная обработка ДНК панкреатической ДНКазой I и фосфодиэстеразой из змеиного яда приводит к образованию 5 -дезоксирибонуклеотидов

Обратите внимание, что названия нуриновых нуклеозидов имеют окончание -озш, а пиримидиновых нуклеозидов -идин. Цифра 5 в названиях нуклеотидов указывает на то, что остаток фосфорной кислоты соединяется с 5-м атомом углерода пентозы (атомы углерода в пентозах обозначаются цифрами со штрихами, а в гетероциклических азотистых основаниях -- без штрихов).

Нуклеотиды обычно синтезируют направленным фссфорилированием нуклеозидов. Некоторые из нуклеотидов получают конденсацией азотистого основания с фосфатом моносахарида. Основные трудности, возникающие при фосфорилировании, связаны с выбором мягкого фосфорилирующего. агента, не вызывающего изменений лабильной молекулы нуклеозида, а также с необходимостью избирательно защиты гидроксильных групп. Последнее условие объясняется малым различием в реакционной способности гидроксильных групп углеводной части молекулы. Несмотря на большую реакционную способность первичной гидроксильной группы она не может избирательно фосфорилироваться в присутствии незащищенных 2 - и З -гидроксилов рибофуранозы. Получение нуклеозид-2 - или З -фосфатов представляет еще более сложную проблему в связи с чрезвычайно большим сходством в химическом поведении 2 - и З -гидроксиль-пых групп.

При полном жестком кислотном гидролизе (72%-я H IO4, 100 °С или 25%-я НСООН, 75 °С) нуклеиновых кислот образуются пуриновые и пиримидиновые основания гетероциклические азотистые основания), моносахарид пентоза рибоза или дезоксирибоза в фуранозной форме) и фосфорная кислота. Рассмотрим особенности химического строения и физико-химических свойств данных соединений как главных компонентов нуклеиновых кислот и их предшественников -- нуклеозидов и нуклеотидов.

Размещено на Allbest.ru