ГЕТЕРОЦИКЛІЧНІ СПОЛУКИ. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА БІОЛОГІЧНА РОЛЬ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ
Органічна сполука циклічної будови, де в одній або декількох ланках циклу вуглець замінено на інші атоми. Гетероцикли поділяють за розміром циклу, за гетероатомом, а також за кількістю гетероатомів. Найсвоєріднішими гетероциклічними сполуками є ароматичні. В ароматичних гетероциклах гетероатом віддає один валентний електрон (в шестичленних циклах), або неподілену електронну пару (в п’ятичленних). Нижче наведено декілька прикладів різних типів гетероциклічних сполук.
|
|
Насичені |
Ненасичені |
|||||
|
Гетероатом |
Нітроген |
Оксиген |
Сульфур |
|
|||
|
3-х членні цикли
|
|
||||||
|
Назва |
|
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
4-х членні цикли
|
|
||||||
|
Назва |
|
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
5-ти членні цикли
|
|
||||||
|
Назва |
|
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
6-ти членні цикли
|
|
||||||
|
Назва |
|
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
7-ми членні цикли
|
|
||||||
|
Назва |
|
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
Поліциклічні
|
||||||
|
Назва |
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
3 Кількома гетероатомами (5-членні)
|
||||||
|
Назва |
||||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
3 Кількома гетероатомами (6-членні)
|
||||||
|
Назва |
|
|||||
|
Структура |
|
|
|
|
|
|
|
|
Номенклатура
Нумерація атомів починається з точки спряження циклів й ведеться проти годинникової стрілки. Атоми вуглецю без воднів пропускають, а гетероатоми нумеруються завжди. В більшості випадків молекулу малюють так, щоб гетероатом мав мінімальний номер.
Реакції
Гетероциклічні сполуки проявляють різноманітну реакційну здатність Ароматичні гетероцикли здатні вступати в реакції типові для звичайних ароматични вуглеводів. При цьому їх реакційна здатність сильно варіює з типом гетероциклу. Скажімо піридин вступає в реакції електрофільного заміщення набагато важче ніж бензол. Атом азоту (нітрогену) відтягує електронну густину з кільця приблизно так само, як і нітрогрупа. П’ятичленні гетероцикли мають за звичай доволі високу реакційну здатність.
Електрофільне заміщення в гетероциклах. Синя стрілка – основна позиція, червона – наступна по активності
Насичені гетероцикли реагують переважно по гетероатому. Скажімо морфолін вступає в типові реакції вторинних амінів. А тетрагідротіофен може бути окисленим в сульфолан.
Нуклеїнові кислоти – це високомолекулярні органічні сполуки, які складаються з великої кількості залишків мононуклеотидів (нук-леотидів), з’єднаних 3′,5′-фосфодиефірними зв’язками в полінуклео-тидні ланцюги, і які виконують важливу роль у збереженні й передачі генетичної інформації, беруть участь у біосинтезі та регуляції біосинтезу специфічних білків живого організму.
Нуклеїнова кислота – це гетерополімер, мономери якого представлені не однією певною речовиною, а трьохкомпонентним утворенням – нуклеотидом. Нуклеотиди складаються із гетероциклічної основи, сполученої з вуглеводним залишком, етерифікованим, у свою чергу, фосфорною кислотою.
За умови повного гідролізу нуклеїнової кислоти утворюються пуринові і піримідинові основи, моносахарид – пентоза (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота. Усі нуклеїнові кислоти поділяються на два типи в залежності від того, яка пентоза входить до їх складу. Нуклеїнова кислота називається рибонуклеїновою (РНК), якщо до її складу входить рибоза, або дезоксирибонуклеїновою (ДНК), якщо до її складу входить дезоксирибоза. Пентози у складі нуклеїнових кислот присутні завжди в P-D-фуранозній формі:
Вуглецеві атоми пентози нумеруються цифрами зі знаком «штрих», аби відрізнити їх від нумерації атомів азотистої основи. Незначна відмінність – присутність водню замість гідроксильної групи біля С-2′-рибози є однією з основних ознак суттєвої різниці у будові та властивостях ДНК і РНК.
Азотисті основи. Азотисті основи, які входять до складу нуклеїнових кислот, є похідними гетероциклічних сполук – пурину і піримідину. Молекула пурину складається із двох конденсованих кілець: піримідину та імідазолу. Серед піримідинових основ головна роль належить цитозину (Ц), урацилу (У) і тиміну (Т; 5-ме-тилурацил), а серед пуринових основ – аденіну (А) і гуаніну (Г). Вони являють собою або оксо-(урацил, тимін), або аміно-(аденін), або змішані – оксо- і аміно-(цитозин, гуанін) похідні пі-римідину чи пурину. Для оксопохідних піримідину і пурину характерна лактим-лактамна таутомерія. Тому азотисті основи здатні існувати в різноманітних таутомерних формах, проте стійкішими є лактамні (оксо-) форми. У такій формі вони входять до складу нуклеїнових кислот.
Азотисті основи 1. Піримідинові основи:
Піримідин Цитозин (Ц) Цитозин (Ц)
(2-гідрокси-4-аміно- (2-оксо-4-аміно-піримідин). піримідин).
Лактимна форма Лактамна форма
Урацил (У) (2,4-диоксопіримідин)
Тимін (Т) (2,4-диоксо-5-метилпіримідин)
2. Пуринові основи:
Пурин
Аденін (А) (6-амінопурин)
Гуанін (Г) (2-аміно-6-оксопурин)
До складу ДНК входять аденін, гуанін, цитозин, тимін; до складу РНК – аденін, гуанін, цитозин, а замість тиміну – урацил.
Окрім названих вище азотистих основ, які називаються головними, у нуклеїнових кислотах у невеликих кількостях наявні рідкісні, звані, мінорні основи. Наприклад:
Так
Особливо багатими на мінорні основи є транспортні РНК, які мають велику кількість різновидів (близько 60).
Азотисті основи поглинають світло в ультрафіолетовій частині спектра з довжиною хвиль 200-300 нм і максимумом близько 260 нм. Ця властивість використовується при кількісному визначенні нуклеї-
нових кислот.
В останні роки деякі синтетичні похідні піримідину й пурину використовуються як лікарські засоби. Вони за будовою подібні до природних метаболітів (У, Т, Ц, А та ін.), проте не повністю їм ідентичні (антиметаболіти). Наприклад, 5-фторурацил виступає в ролі антагоніста урацилу і тиміну, а 6-меркаптопурин -аденіну. Конкуруючи з метаболітами, вони порушують синтез нуклеїнових кислот в організмі, що знайшло використання при лікуванні пухлинних захворювань.
Метаболіти
Тимін (5 -метилурацил)
Антиметаболіти
5-Фторурацил
Нуклеозиди. Азотисті основи, з’єднуючись із пентозами, утворюють сполуки, що одержали назву нуклеозидів. Пуринові основи через 9-й атом азоту, а піримідинові – через 1-й – утворюють ІЧ-глікозидний зв’язок із рибозою або 2′-дезоксирибозою. При цьому завжди утворюється р-глікозидний зв’язок (за рахунок відщеплення молекули води – водню від Г9 або Г1 основ і гідроксигрупи аномерного атома С-1′ рибози):
У залежності від природи пентози нуклеозиди поділяються на рибонуклеозиди і дезоксирибонуклеозиди. Утворюється їх назва як і у всіх глікозидів, наприклад, Р-гуанінрибофуранозид або гуанінри-бозид. Проте частіше використовуються назви, які походять від тривіальної назви відповідної азотистої основи із закінченням -ідин (-идин) у піримідинових і -озин – у пуринових нуклеозидів: Аденін + Рибоза — Аденозин (А) Гуанін + Рибоза — Гуанозин (Г) Цитозин + Рибоза — Цитидин (Ц) Урацил + Рибоза — Уридин (У) Аденін + 2′-Дезоксирибоза — Дезоксиаденозин (дА) Гуанін + 2′-Дезоксирибоза — Дезоксигуанозин (дГ) Цитозин + 2′-Дезоксирибоза — Дезоксицитидин (дЦ) Тимін + 2′-Дезоксирибоза — Дезокситимідин (дТ) Усі нуклеозиди скорочено позначають символами основ, які входять до їх складу. До назви нуклеозидів, які містять дезоксирибозу, додається буква «д» (наприклад, д-цитидин). До складу деяких РНК, крім основних і мінорних нуклеозидів, входить незвичайний нуклеозид – псевдоуридин, який позначається символом ц/. Особливістю його будови є наявність не ІЧ-, а С-глікозидного зв’язку, з цим пов’язана його значна стійкість до гідролізу.
Урацил
Значна роль рибози і дезоксирибози в утворенні нуклеїнових кислот стала обґрунтуванням для створення лікарських засобів методом модифікації природних нуклеозидів. Так, у структурі аденінових нуклеозидів, які є нормальними складовими нуклеїнових кислот (метаболіти), рибозу і 2′-дезоксирибозу замінюють у синтетичних лікарських препаратах на епімер Б-рибози – Б-арабінозу.
арабіноза
Арабінозид аденіну
Арабінозид аденіну виявляє антивірусну активність. За будовою він близький до природного нуклеозиду, проте незначна зміна в будові й конфігурації С-2′-вуглецевого атома виявилася достатньою для того, щоб ця сполука виконувала роль інгібітора ДНК.
Нуклеотиди – це фосфати нуклеозидів. Найчастіше в нуклеози-дах етерифікується гідроксильна група біля С-5′ або біля С-3′ пентоз-ного залишку. У залежності від будови пентози розрізняють рибону-клеотиди і дезоксирибонуклеотиди.
Нуклеотиди, з одного боку, є складними ефірами нуклеозидів (фосфати), з іншого – кислотами, завдяки наявності в їх складі залишку фосфорної кислоти.
1. Рибонуклеотиди
Аденозин-5′-монофосфат Аденілова кислота
2. Дезоксирибонуклеотиди
Дезоксиаденозин-5′-монофосфат Дезоксиаденілова кислота (дАМФ)
Дезоксигуанозин-5′-монофосфат Дезоксигуанілова кислота (дГМФ)
Дезокситимідин-5 -монофосфат Дезокситимідилова кислота (дТМФ)
Дезоксицитидин-5′-монофосфат Дезоксицитидилова кислота (ДНК)
Скорочені позначення АМФ, ЦМФ тощо завжди відносяться до 5′-нуклеотидів. У скороченій назві інших нуклеотидів, наприклад, у З’-похідних, завжди проставляється положення фосфорної кислоти: З’-АМФ, З’-дАМФ і т.ін.
Нуклеотиди входять до складу не тільки нуклеїнових кислот, але й складних ферментних систем. Вони можуть також знаходитися у вільному стані.
До нуклеозидмонофосфатів може приєднуватися за допомогою фосфоангідридного зв’язку ще один або два залишки фосфорної кислоти. При цьому утворюються нуклеозидди- та нуклеозидтрифосфати:
АМФ, АДФ і АТФ виконують важливу роль в обмінних процесах організму. Наприклад, АТФ бере участь в енергетичному обміні організму, є однією з основних макроергічних сполук. Під час відщеплення від АТФ однієї або двох молекул фосфорної кислоти, які з’єднані між собою макроергічним зв’язком (~), виділяється 32-42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфатного зв’язку – 8-12 кДж/моль. В обміні речовин та енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди: ГТФ, ЦТФ, УТФ та ін.
