Документ: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012, страницы 71-75

кологічних захворювань. 5-Фторурацил належить до групи антиметаболітів. Протипухлинна активність препарату залежить від його перетворення в ракових клітинах на речовину, яка є конкурентним інгібітором ферменту (тимідинсинтетаза), що бере участь у синтезі ДНК.

H			O
H	N		4	F
	N	3	4	5
		3		5
O		2	1	6
O			N
			N

H

5-Фторурацил

Калієва сіль урацил-6-карбонової (оротової) кислоти — стимулятор обмінних процесів.

O

H N

ON COOK H

Оротат калію

Гідроксипохідні піримідину

Наявність гідроксильних груп надає похідним піримідину кислотних властивостей. Так, 2,4,6- тригідроксипіримідин (барбітурова кислота) сильніший за оцтову кислоту. Для барбітурової кислоти характерні два види таутомерії — лактимлактамна та кето-енольна. Як снотворні та протисудомні засоби в медицині застосовують 5,5-дизаміщені похідні барбітурової кислоти — барбітурати. Вони утворюють водорозчинні солі. Для барбітуратів можлива тільки лактимлактамна таутомерія.

H	O	H	H	O	С2H5	H	O	С H
H	N		H	N	C2H5	H	N	2 5
	N	H		N	C2H5		N	C6H5
O	N	O	NaO	N	O	NaO	N	O
	N			N			N
	H			H			H

Барбітурова кислота Веронал Люмінал

Біциклічні гетероцикли

Група пурину

Найбільш розповсюдженими в природі біциклічними гетероциклами є сполуки пуринового та птеридинового ряду. Пурин — це конденсована система, яка складається з двох гетероциклів — піримідину й імідазолу.

N	6	5		7	N
1				7
2	3	4	9	8
	N		N
			H
Ядро піримідину					Ядро імідазолу

Пурин — це ароматична сполука, він стійкий до дії окисників, добре розчинний у воді, амфотерний, утворює солі не тільки з сильними кислотами (Нітроген піримідинового ядра), але і з

лужними металами (NH-група). Найбільше біологічне значення мають гідроксита амінопохідні пурину. Так, амінопурини (аденін і гуанін) поряд із цитозином, тиміном та урацилом є азотистими основами нуклеїнових кислот. Вони входять до складу деяких коферментів. Для аденіну можлива прототропна таутомерія за рахунок міграції атома Гідрогену між N-7 та N-9.

NH2	N H	NH2
N	N H	N	N
N	N	N	N
			H

Аденін

Завдяки наявності гідроксильної групи гуанін може перебувати в двох таутомерних формах.

OH	O		O
N	N H H N	N H H N	N
H2N N N	H2N N N	H2N	N N
			H

Гуанін

Похідне пурину 6-меркаптопурин застосовується для лікування хворих на гострий лейкоз або хронічний мієлолейкоз.

SH

N1	6 5			7N
2	3	4	9	8
	N		N

H

6-Меркаптопурин

Антилейкемічна активність 6-меркаптопури- ну пов’язана з його біологічною дією як антиметаболіту пуринів. 6-Меркаптопурин активно втручається в обмін пуринів, спричиняючи порушення синтезу нуклеїнових кислот. Особливо ця дія виявляється в деяких пухлинних клітинах і незрілих лейкоцитах.

Аденін і гуанін легко дезамінують ферментативно або під дією HNO2, утворюючи гіпоксантин і ксантин (продукти метаболізму азотистих основ пурину):

NH2

OH

O

N

фермент

H N

HNO2 N

N

N N

- N2

N

- H2O

H

Аденін

Гіпоксантин

OH

H

O

N

фермент

N

N H

HNO2

N2, H2O HO

H2N

N N

O N N

H

Гуанін

Ксантин

Велике значення для медичної практики мають метильовані за атомом Нітрогену ксантини: теофілін, теобромін і кофеїн. Вони збуджують ЦНС, а у малих кількостях підвищують працездатність.

69

H3C	O					H	O						H3C		O
H3C	6				N H	H	6 5				N	CH	H3C	N1	6 5			N CH
N1	6	5		7	N H	N1	6 5			7	N	CH		N1	6 5			N CH	3
		5		7						7		3						7	3
2	3	4	9	8		2	3	4	9	8				2	3	4	9	8
O	N		N			O	N		N				O		N		N
	CH3						CH3								CH3
Теофілін						Теобромін									Кофеїн
(1,3-диметил-						(3,7-диметил-							(1,3,7-триметил-
ксантин)						ксантин)								ксантин)

Теобромін міститься в зернах какао (близько 1,8 %), теофілін і кофеїн — у листі чаю та зернах кави. Сечова кислота (2,6,8-тригідроксипурин) є одним із кінцевих продуктів метаболізму нуклеїнових кислот. Вона виводиться з сечею (близько 1 г на добу).

	O						OH
H N1 6		5		7N H		N1	6 5			7N H
2	3	4	9	8		2	3	4	9	8

O	N		N	O	HO		N		N	OH
	H		H

Сечова кислота (2,6,8-тригідроксипурин)

При порушенні обміну речовин в організмі солі сечової кислоти (урати) відкладаються в суглобах (подагра), а також у вигляді ниркових каменів.

4.2. СТРУКТУРА ТА БІОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ НУКЛЕОЗИДІВ І НУКЛЕОТИДІВ

Нуклеозиди

Азотисті основи, з’єднуючись із пентозами, утворюють сполуки, що дістали назву нуклеозидів. Пуринові основи через 9-й атом азоту, а піримідинові — через 1-й утворюють N-глікозид- ний зв’язок із рибозою або 2′-дезоксирибозою.

	NH2	NH
		2
N	N	N

N

N-Глікозидний зв’язок O

1

N

HOH C

HOH2C

O

2

H

OH

β -Глікозидний зв’язок

Аденозин Цитидин

Проте частіше використовують назви, які походять від тривіальної назви відповідної азотистої основи із закінченням -ідин (-идин) у піримідинових і -озин — у пуринових нуклеозидів. Важлива роль рибози і дезоксирибози в утворенні нуклеїнових кислот стала підгрунтям для створеннялікарськихзасобівметодоммодифікаціїприродних нуклеозидів. Так, у структурі аденінових нуклеозидів, які є нормальними складовими нуклеїнових кислот (метаболіти), β -рибозу і 2-дезоксирибозу замінюють у синтетичних лікарських препаратах на епімер D-рибози — D-арабінозу.

			NH2			NH2
		N	N			N
			N			N
HOH2C	O	N	N	HOH2C	O	N	O
					O
	HO				HOHO
H	HO				HOHO
OH					OH

Арабінозиладенін Арабінозилцитозин

Арабінозиладенін та арабінозилцитозин виявляють антивірусну активність. За будовою вони близькі до природного нуклеозиду, проте незначна зміна в будові й конфігурації С-2′ атома Карбону виявилася достатньою для того, щоб ці сполуки виконували роль інгібітора ДНК.

Нуклеотиди

Нуклеотиди — це фосфати нуклеозидів. Найчастіше в нуклеозидах етерифікується гідроксильна група біля С-5′ або С-3′ пентозного залишку. Залежно від будови пентози розрізняють рибонуклеотиди і дезоксирибонуклеотиди (рис. 4.1).

				N	NH2					N	O
	O			N	N		O			N	NH
	O				N		O				NH
-O	P O CH		O			-O	P O CH		O
	O-	2	O	N	N		O-	2	O	N	N NH2
	O-	H		N	N		O-	H		N	N NH2
		H		H				H		H
		H		H
		OH		OH				OH		OH

Аденозин-5-монофосфат Гуанозин-5-монофосфат Аденілова кислота (АМФ) Гуанілова кислота (ГМФ)

O

NH2

O

NH

O

N

-O P O

CH

O

N

O

-O P O

CH

N

O

O-

2

O-

2 O

H

OH

Уридил-5-монофосфат

Цитидин-5-монофосфат

Уридилова кислота

Цитидилова кислота

(УМФ)

(ЦМФ)

N

NH2

O

N

O

N

NH

-O P O CH

O

-O P O CH

O-

2

N

O-

2 O

N

NH2

H

OH

H

OH

H

Дезоксиаденозин-5-

Дезоксигуанозин-5-

монофосфат

Дезоксигуанілова

Дезоксиаденілова

кислота (дГМФ)

кислота (дАМФ)

NH2

O

N

O

CH3

NH

-O P O

CH2

O

N

O

-O P O CH

N

O

O-

2 O

H

OH

H

OH

H

Дезоксицитидин-5-

Дезокситимідин-5-

монофосфат

Дезоксицитидилова

Дезокситимідилова

кислота (дЦМФ)

кислота (дТМФ)

Рис. 4.1. Мононуклеотиди

Скорочені позначення: АМФ, ЦМФ тощо завжди відносяться до 5′-нуклеотидів

70

У скороченій назві інших нуклеотидів (наприклад у 3′-похідних) завжди проставляється положення фосфорної кислоти: 3′-АМФ, 3′-дАМФ тощо.

Нуклеотиди входять до складу не тільки нуклеїнових кислот, але й складних ферментних систем. Вони можуть також перебувати у вільному стані.

До нуклеозидмонофосфатів можуть приєднуватися за допомогою фосфоангідридного зв’язку ще один або два залишки фосфорної кислоти. При цьому утворюються нуклеозиди та нуклеозидтрифосфати: АМФ, АДФ і АТФ, які виконують важливу роль в обмінних процесах організму. Так, АТФ бере участь в енергетичному обміні організму, є однією з основних макроергічних сполук. При відщепленні від АТФ однієї або двох молекул фосфорної кислоти, з’єднаних між собою макроергічним зв’язком (-), виділяється 32– 42 кДж/моль енергії, тоді як енергія звичайного фосфатного зв’язку — 8–12 кДж/моль. В обміні речовинта енергії беруть участь й інші фосфорильовані нуклеотиди: ГТФ, ЦТФ, УТФ та ін.

						NH2
					N	N
						N
	O	O	O	O	N

HO	P~O	P~O P O				N
HO	P~O	P~O P O		H H
				H H
	OH	OH	OH	H	H

OH OH

АМФ

АДФ

АТФ

Окрім зазначених, відомі нуклеотиди, в яких фосфорна кислота одночасно етерифікує (зв’язує) дві гідроксильні групи пентозного залишку, утворюючи циклофосфати. Практично в усіх клітинах присутні два циклічних нуклеотиди — цАМФ і цГМФ, які є найважливішими регуляторами внутрішньоклітинних процесів.

NH2

N

O

CH2

O

N

H

O

P

O

OH

Аденозин-3′,5′-цикломонофосфат (цАМФ)

4.3. БУДОВА ТА БІОЛОГІЧНА РОЛЬ НУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

Нуклеїнові кислоти — це високомолекулярні органічні сполуки, які складаються з великої кількості залишків мононуклеотидів (нуклеотидів), з’єднаних 3′,5′-фосфодіефірними зв’язками в полінуклеотидні ланцюги, і виконують важливу роль у збереженні й передачі генетичної інформації, беруть участь у біосинтезі та регуляції біосинтезу специфічних білків живого організму.

За умови повного гідролізу нуклеїнової кислоти утворюються пуринові та піримідинові основи, моносахариди — пентоза (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота. Усі нуклеїнові кислоти поділяються на два типи залежно від того, яка пентоза входить до їхнього складу. Нуклеїнова кислота називається рибонуклеїновою (РНК), якщо до її складу входить рибоза, або дезоксирибонуклеїновою (ДНК) — якщо дезоксирибоза:

CH2OH				CH OH
	O		OH		2			OH
			OH			O		OH
						O


	OH	OH			OH		H
β -D-рибофураноза				β -2′-дезокси-D-рибо-
(рибоза)				фураноза (дезоксирибоза)

Будова полінуклеотидного ланцюга. Нуклео-

тиди є мономерними одиницями олігонуклеотидів і полінуклеотидів. Олігонуклеотиди містять у своєму складі кілька мономерів, а полінуклеотиди — багато. Роль містка між нуклеотидами виконує 3′,5′-фосфодіефірний зв’язок, який з’єднує С-3′-рибози (або 3′-дезоксирибози) одного нуклеотиду і С-5′ — другого. У зв’язку з цим полінуклеотидний ланцюг має певний напрямок: на одному кінці (початок ланцюга) залишається вільною 5′-ОН, на іншому — 3′-ОН група (кінець ланцюга) (рис. 4.2). Тому кінці лінійного (нерозгалуженого) полінуклеотидного ланцюга позначають 5′-кінець (ліворуч) і 3′-кінець (праворуч), оскільки написання ланцюга починають із 5′-кінця. У цьому випадку загальний напрямок утворення фосфодіефірних зв’язків у ланцюгу по-

значається 5′ →

3′.

O

NH

HO

P

O

CH2 O

N

O

OH

H H

NH2

H

N

5′-кінець

O

OH

O

P O

CH2 O

N

N O

O-

H

NH

O

OH

O

P

O

CH2 O

N

O

O-

H

N

NH

H

O

OH

NH2

N

O

P O

CH2 O

N

O-

H H

NH2

H

N

O

OH

O

P

O

CH2 O

O

N

O-

H H

H

O

OH

OP O-

O-

3′-кінець

Рис. 4.2. Полінуклеотид РНК

71

Дезоксирибонуклеїнові кислоти (ДНК)

Структура нуклеїнових кислот краще вивчена у найпростіших живих організмів — прокаріотів (бактерії, рикетсії, мікоплазми, синьозелені водорості). У клітинах прокаріотів міститься одна хромосома, яка складається з однієї молекули ДНК, не відокремленої від цитоплазми мембраною (немає оформленого ядра). У клітинах еукаріотів (тварини, рослини, гриби, більшість різновидів водоростей) знаходиться ядро, оточене мембраною. Ядерний матеріал розподіляється між кількома хромосомами, основа яких

— це ДНК, білки (головним чином, гістони) і невелика кількість РНК.

Первинна структура ДНК — кількість, якість і порядок розташування залишків дезоксирибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі.

Мономери в молекулах нуклеїнових кислот з’єднані складноефірним зв’язком, який утворюється фосфатним залишком одного мононуклеотиду та 3′-ОН пентозного залишку другого мононуклеотиду (3′,5′-фосфодіефірний зв’язок) (рис. 4.3):

O

H3C

NH

HO

P

O

CH2 O

N

O

NH2

H H

OH

H

N

5′-кінець

O

H

O

P O

CH2

O

N

H H

O

O-

H

H H C

NH

O

H

3

O

P

O

CH2 O

N

O

H H

O

O-

H

N

O H

O

P O

CH2 O N

N

O-

H

H H

H

O

H

O

P

O

CH2 O

O-

H

H H

O

H

O

P O-

O-

NH

NH2

N

N O

H

3′-кінець

Рис. 4.3. Первинна структура ДНК

Нуклеїнові кислоти — полінуклеотиди, азотисті основи ДНК: аденін, гуанін, цитозин і тимін.

Із чотирьох різних нуклеотидів можна побудувати велику кількість нуклеїнових кислот, які відрізняються первинною структурою.

Вторинна структура ДНК — це просторова організація полінуклеотидних ланцюгів в її молекулі. З’ясування вторинної структури ДНК — одне з найважливіших досягнень біології, оскільки при цьому одночасно було відкрито механізм передачі спадкової інформації через покоління.

Біологічна функція нуклеїнових кислот грунтується переважно на властивостях основ утворювати специфічно (комплементарно) зв’язані пари азотистих основ. Першим доказом існування таких структур став той факт, що в кожному типі ДНК міститься приблизно однакова кількість аденіну і тиміну, а також гуаніну і цитозину.

Правило Чаргаффа: у ДНК кількість пуринових нуклеотидів дорівнює кількості піримідинових нуклеотидів:

А + Г = Ц + Т

Виходячи із правила Чаргаффа, Дж. Уотсон і Ф. Крик (Великобританія) запропонували модель будови ДНК (1953).

1. Молекула ДНК побудована з двух полінуклеотидних ланцюгів, орієнтованих антипаралельно і на всьому протязі з’єднаних між собою водневими зв’язками.

5′ 3′

3′ 5′

2.Водневі зв’язки утворюються за рахунок

специфічної взаємодії А=Т (два водневих зв’язки) та Г≡ Ц (три водневих зв’язки).

Основи, які утворюють пару, комплементарні одна одній (від лат. complementum — засіб поповнення). Такий порядок співвідношення азотистих основ (а також нуклеотидів), при якому аденін вибірково взаємодіє з тиміном (А=Т),

агуанін — із цитозином (Г≡ Ц), називається комплементарністю.

3.Первинна структура одного ланцюга молекули ДНК комплементарна первинній структурі іншого ланцюга.

4.Два ланцюги закручені у спіраль, яка має загальну вісь. Довжина витка — 34 Å, виток має близько 100 залишків азотистих основ, діаметр

— 1,8–2,0 нм. Пуринові та піримідинові основи звернені всередину спіралі; їхні площини перпендикулярні осі спіралі та паралельні між собою, отже, виходить стопка основ. Між основами у цій стопці виникають гідрофобні взаємодії, які здійснюють основний внесок у стабілізацію подвійної спіралі — стекінг-взаємодія (від англ. stack — штабель).

А. . . . Т

Г . . . . Ц Ц . . . . Г А . . . . Т Т . . . . А

Оскільки ланцюги зв’язані тільки нековалентними взаємодіями, подвійна спіраль при нагріванні легко розпадається на окремі ланцюги (денатурує). При повільному охолодженні раніше неупорядковані окремі ланцюги завдяки спарюванню основ знову утворюють подвійну спіраль (ренатурують).

72

Процеси де- і ренатурації відіграють важливу роль у генній інженерії. У функціональному відношенні два ланцюги ДНК не є еквівалентними. Кодуючим (матричним) ланцюгом є той із них, що зчитується в процесі транскрипції. Саме цей ланцюг служить матрицею для РНК. Некодуючий ланцюг за послідовністю подібний до РНК (за умови заміни Т на У).

Нуклеїнові кислоти — це досить сильні кислоти, повністю іонізовані в біосферах, тому їхня послідовність несе негативний заряд:

NH2

O

N

-O

P

O

CH

2 O

N N

O-

H H

H

OH

H

Нуклеїнові кислоти взаємодіють із білками, які містять додаткові аміногрупи (так звані слабоосновні білки — гістони). ДНК із білками утворю-

ють нуклеопротеїни.

Необхідно зауважити, що конфігурація подвійної спіралі ДНК сильно змінюється залежно від вмісту води та іонної сили навколишнього середовища. Методами рентгеноструктурного аналізу доведено існування не менше чотирьох форм ДНК, які дістали назву А-Е і Z-форм.

Нині відомо, що між А- і В-формами ДНК здійснюються взаємні переходи. В-форма ДНК найбільше відповідає моделі Дж. Уотсона і Ф. Крика. Ці переходи, які відбуваються під впливом розчинників або білків, очевидно, мають певний біологічний зміст. Вважається, що в А-формі ДНК виконує роль матриці в процесі транскрипції (синтез РНК на молекулі ДНК), а у В-формі — роль матриці в процесі реплікації (синтез ДНК на молекулі ДНК).

ВА-конформації ДНК зберігається права подвійна спіраль, однак, на відміну від В-форми, основи вже не перпендикулярні осі, а знаходяться під іншим кутом.

ВZ-конформації, яка може утворюватися в ділянках В-ДНК, багатих на гуанін і цитозин, положення нуклеотидів цілком інше, подвійна

спіраль скручена вліво, а остов має характерну зигзагоподібну форму.

Третинна структура ДНК. Дослідження будо-

ви ДНК показало, що лінійні двоспіральні або кільцеві форми ДНК у просторі утворюють спіралізовані та суперспіралізовані форми (тобто третинні структури).

Третинна структура ДНК прокаріотів і еукаріотів має особливості, пов’язані з будовою та функціями їхніх клітин. Для третинної структури ДНК вірусів і бактеріофагів характерною є наявність специфічної суперспіралізації одноабо дволанцюгових або кільцевих форм. Третинна структура ДНК еукаріотичних клітин утворюється завдяки багаторазовій суперспіралізації молекули, однак, на відміну від прокаріотів, вона реалізується у формі комплексів ДНК і білків.

ДНК еукаріотів майже вся знаходиться в хромосомах ядер, лише невелика її кількість містить-

ся в мітохондріях, а у рослин — ще й у пластидах. Сумарний матеріал хромосом — хроматин, він містить ДНК, гістонові та негістонові білки, невелику кількість РНК та іонів металів. Близько 50 % хроматину — це прості білки гістони, які за вмістом залишків амінокислот аргініну і лізину поділяються на п’ять груп: Н1, Н2А, Н2В, Н3, Н4. Так, гістон Н1 дуже багатий на лізин, а гістон Н4 — на аргінін.

Рибонуклеїнові кислоти

Первинна структура РНК — кількість, якість і послідовність розташування залишків рибонуклеотидів у полінуклеотидному ланцюзі. Азотисті основи — урацил, цитозин, аденін, гуанін. У РНК можна також зустріти багато незвичних і модифікованих азотистих основ.

Вторинна структура. На відміну від ДНК,

РНК не утворює подвійних спіралей, але містить короткі ділянки зі спареними основами у вигляді коротких двоспіральних «шпильок», «петель», у яких між азотистими основами виникають водневі зв’язки, утворюючи комплементарні пари аденіну з урацилом (А-У), гуаніну з цитозином (Г-Ц). Характерною особливістю вторинної структури РНК є те, що полінуклеотидний ланцюг її спіралізований не повністю (для них РНК від 10 до 70 %).

РНК клітини істотно розрізняються за розмірами, будовою та тривалістю існування. Переважна частина — рибосомні РНК (рРНК), які утворюють структурні та функціональні частини рибосом. Рибосомні РНК синтезуються в ядрі, там же піддаються процесингу й асоціюють із рибосомними білками, утворюючи рибосому. На частку рРНК припадає близько 80 % усієї РНК клітини.

Матричні РНК (мРНК) становлять близько 2 % від усіх РНК клітини, переносять генетичну інформацію. Її транскрипти також значно модифікуються в ядрі (процес дозрівання мРНК). Оскільки з мРНК зчитується на рибосомі кодон за кодоном, вона не повинна складатися в стабільну третинну структуру. Спарюванню основ перешкоджають білки, асоційовані з мРНК.

У сплайсингу попередників мРНК беруть участь малі ядерні РНК (мяРНК), вони асоційовані з рядом білків, утворюючи «сплайсосоми».

Транспортні РНК (тРНК) становлять близько 15 % усієї РНК клітини. Існує кілька десятків видів тРНК. Молекули транспортних РНК зазвичай містять близько 75 нуклеотидів. Завдяки кільком внутрішньоланцюговим комплементарним ділянкам усі тРНК мають вторинну структуру, що дістала назву «конюшинний лист».

Молекули всіх видів тРНК мають чотири основних плеча. Акцепторне плече складається з «стебла» спарених нуклеотидів і закінчується послідовністю ЦЦА (5′ → 3′).

За допомогою 3′-ОН групи аденозильного залишку відбувається зв’язування з карбоксильною групою амінокислоти. Антикодонове плече розпізнає нуклеотидний триплет, або кодон у

73

Материал: Біологічна та біоорганічна хімія_Мардашко О.О._ изд. 2008-342 с._ОНМедУ-2012

Смотрите также: