Гетероциклы с конденсированной системой ядер. Нуклеозиды и их производные

Содержание

 

Гетероциклы с конденсированной системой ядер

Пуриновые основания:

Нуклеозиды

Нуклеотиды

Нуклеиновые кислоты

Структура РНК:

Структура ДНК:

Биологическая роль ДНК и РНК

Список использованной литературы

 

Гетероциклы с конденсированной системой ядер

Сюда относятся следующие соединения:

1. Индол

СН Ядро индола состоит из ароматического ядра, сконденсированного с пиррольным ядром.

 

             СН

   НС                 С                 СН

                                                            

   НС                С                  СН        

              СН             NH                 

 

2. Скатол - производная индола

СН Скатол и индол содержатся в организме животных. Образуются при гниении , при пищеварении и обладают неприятным запахом, при их окислении образуется индоксил и скатоксил:

             СН

   НС                 С                 С – СН₃

 

   НС                С                  СН        

              СН             NH                 

             СН                                       

   НС                 С                 С – ОН             

                                                           -  Индоксил 

   НС                С                  СН        

              СН             NH                 

             СН                                       

   НС                 С                 С – СН₃            

                                                                -  Скатоксил

   НС                С                 С – ОН         

              СН             NH                 

Ядро индоксила входит в состав красителей типа индиго.

Пурин – состоит из конденсированных гетероциклов: пиримидина и имидазола. Пурин это слабое основание, устойчивое к действию окислителей, хорошо растворимое в воде.

Сам пурин биологического значения не имеет, имеют окси и аминопроизводные урина, так называемые пуриновые основания. Они входят в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

             СН

      N                С                  N

   НС                С                  СН        

                N             NH                 

Пуриновые основания:

1. Аденин – 6 –аминопурин

2. Гуанин – 2 – амино- 6- оксипурин

3. Гипоксантин – 6 – оксипурин – проводит окисление аденина

4. Ксантин – 2,6 –диоксипурин – проводит окисление гуанина.

5. Мочевая кислота – 2,6,8 –триоксипурин

Мочевая кислота является конечным продуктом обмена пуриновых оснований в живых организмах и выводится из организма с мочой. В почве мочевая кислота разлагается с образованием NH₃. У животных и человека при нарушении обмена веществ мочевая кислота откладывается в суставах и возникает болезнь подагра. Пуриновые основания также существуют в двух формах: енольная и кетонная, то есть обладают кето-енольной таутомерией.

Аденин

 

       Аденин

               С – NH₂                                                                  C = NH

      N                 С                N                                 HN                 C                  N

                                                                                
                                                

   НС                С                  СН                               HC                C                  CH

               N              NH                                                        N               NH

        Енольная форма                                                      Кетонная форма

Гуанин

 

                           С – ОH                                                                  C = O

                N                 С                N                                 HN                 C                  N

                                                                                
                                                

     NH₂ – C                 С                  СН                      NH₂ – C                C                  CH

                          N              NH                                                        N               NH

        Енольная форма                                                      Кетонная форма

 

 

Гипоксантин

               С – OH                                                                   C = O

      N                 С                N                                 HN                 C                  N

                                                                                       
                                          

   НС                С                  СН                               HC                 C                 CH

               N              NH                                                        N               NH

        Енольная форма                                                    Кетонная форма

 

Ксантин

 

                           С – ОH                                                                  C = O

                N                С                 N                                  HN                 C                  N

                                                                                                                                
 

       HO – C                С                  СН                          O = C                C                  CH

                          N              NH                                                      NH              NH

                 Енольная форма                                                     Кетонная форма

 

Мочевая кислота

 

                           С – ОH                                                                  C = O

                N                С                 N                                  HN                 C                  NН

                                                                                                                                 

       HO – C                С                 С – ОН                     O = C                C                  C = О

                          N              NH                                                      NH              NH

                 Енольная форма                                                     Кетонная форма

 

Нуклеозиды

Это соединения, состоящие из пуриновых или пиримидиновых оснований (основания берутся в кетонной форме), связанных с рибозой или дезоксирибозой ( форма β,d- фурановая). Азотистые основания связаны с гликозидным гидроксилом рибозы или дезоксирибозы через атом азота в положении 9 пуринового кольца и а положении 3 пиримидинового кольца. Эти соединения в дальнейшем образуют нуклеотиды. Название нуклеозида складывается из названия соответствующего основания, с окончание «зин». Нуклеозид, в который входит аденин, называется аденозином, гуанин - гуанозином. Если нуклеозид содержит цитозин, он называется – цитидином, урацил – уридином, если тимин – тимидином. Если в нуклеозид входит дезоксирибоза, то к названию добавляется приставка «дезокси», например, дезоксиаденозин и тд. Напишем реакцию образования нуклеозида из аденина и рибозы:

               С – NH₂                                                                                                                  C – NH₂                             

      N                 С                N                                                                                     N                 C                N

                                                     

   НС                С                  СН                       - НОН                                               HC                 C                 CH

               N              NH                                                                                                  
       N               N

                              +                                   

СН₂ОН                   О                       ОН                                 CH₂OH                     O                          

  С          Н                              Н         С                                      C          H                                   H         C

 Н          С                               С         Н                                     H           C                                   C          H

            ОН                            ОН                                                          OH                                 OH

             β-d-рибофураноза                                                                    
         аденозин

Образование нуклеозида из цитозина и дезоксирибозы:

                   С – NH₂                                                                                                     
                         C – NH₂ 

       N                   CH                                                                                                   
      N                   CH

                                                                                                                        
                                               

O = C                  CH                                          - HOH                                              O = C                   CH

                  N                                                                                                                                  
N

                           +                                                                               
                                                  

CH₂OH               O                   OH                                            CH₂OH                O                             

   C         H                       H        C                                                C          H                       H         C

  H         C                        C         H                                               H         C                         C         H

            OH                      H                                                                     OH                        H

                                                                                
                                   дезоксицитидин

 

Нуклеотиды

Это соединения нуклеозида с фосфорной кислотой. В состав нуклеотида может входить один, два и три остатка фосфорной кислоты. Нуклеотид, содержащий рибозу, называется рибонуклеотид, а содержащий дезоксирибозу – дезоксирибонуклеотид. Если нуклеотид имеет один остаток фосфорной кислоты, то есть является мононуклеотидом, то такие соединения называются кислотами и называют их в зависимости от названия основания. Если в их состав входит основание:

Аденин – адениловая кислота,

Гуанин – гуаниловая кислота,

Урацил – уридиловая кислота,

Тимин – тимидиловая кислота,

Цитозин – цитидиловая кислота.

Если в нуклеотид входит дезоксирибоза, то к этим названиям добавляется приставка «дезокси», например, дезоксиадениловая кислота, дезоксигуаниловая кислота и тд.

Нуклеотиды с двумя и тремя остатками фосфорной кислоты называется тремя заглавными буквами: первая буква – название основания, вторая буква – число остатков фосфорной кислоты, третья буква – фосфорная кислота. Например, АДФ: А- аденозин, Д – ди(два), Ф – фосфат, то есть аденозиндифосфат; АТф – А- аденозин, Т – три, Ф – фосфат , то есть аденозинтрифосфат. Ди и три нуклеотиды являются аккумуляторами химической энергии в организме. В молекулах этих нуклеотидов остатки фосфорной кислоты вязаны между собой макроэргическими связями. Обозначаются макроэргические связи так – ~. При отщеплении остатка фосфорной кислоты от этих нуклеотидов выделяется большое количество энергии, за сет расщепления макроэргических связей 34-46кДж/моль (обычная связь дает 8-12 кДж/моль). Важнейшими источниками энергии в организме являются АДФ и АТФ.

 

Строение АТФ:

                                                                                                                                     
                         C – NH₂ 

                                                                                                          
                                 N                  C                N

                                                                                                                        
                                               

                                                                                                                       
                   HC               C                 CH

                                                                                                     
                                                 N              N

                                                          O           O           O                                                                                                    

                                                 HO – P ~ O – P ~ O – P ~ O – H₂C                     O                             

                                                         OH        OH        OH            C         H                        H        C

                                                                                  
                   H         C                         C         H

                                                                                
                               OH                      OH 

                                                                                
                                                             Аденозин

                                                                                
                                       Адениловая кислота

                                                                                
                                                 АДФ

                                                                                
                                       АТФ

При дефосфорилировании АТФ образуется АДФ (и АМФ). Дефосфорилирование АТФ сопровождается освобождением энергии, которая используется в клетках для различных процессов синтеза и других видов работ. В свою очередь АДФ за счет энергии, освобождающейся при окислении органических веществ, фосфорилириуется в АТФ. В клетках организма постоянно происходит процесс фосфорилирования АТФ и фосфорилирования АДФ и АМФ. Подобным образом происходит фосфорилирование и других нуклеотидов. Все эти соединения в организме играют важную роль в обмене веществ и энергии, и, в частности, в биосинтезе липидов и углеводов.

Нуклеиновые кислоты

Это высокомолекулярные полимеры, мономерами которых являются мононуклеотиды, то есть в состав нуклеиновых кислот в виде отельных звеньев входят нуклеотиды с одним остатком фосфорной кислоты. Число нуклеотидных звеньев достигает у них десятков и сотен тысяч. Нуклеиновые кислоты делятся на два вида: рибонуклеиновые кислоты – РНК (в их состав входит рибоза); дезоксирибонуклеиновые кислоты – ДНК (в их состав входит дезоксирибоза). Отличаются они и по содержанию азотистых оснований. В состав РНК входят: аденин, гуанин, цитозин и урацил. В состав ДНК входят: аденин, гуанин, цитозин и тимин. Все нуклеиновые кислоты построены однотипно, а именно: первое нуклеотидное звено связано с вторым, второе с третьим, третье с четвертым и так далее; через кислород от фосфорной кислоты, то есть через фосфорноэфирную связь между 3 углеродным атомом пентозы одного мононуклеотида и пятым углеродным атомом пентозы соседнего нуклеотида. ДНК является носителем генетической информации. РНК - является переносчиком информации между синтезирующимися белками.

 

Структура РНК

                                      С = O

                        HN                  CH

                     O =C                   CH                                                             У

                                     N

  –O – H₂C        O                                    C – NH₂

               C   H         H   C              N                                 N  

               H  C           C   H           HC                                 CH                                              А

                    O         OH                            N            N

          HO – P ~ O – H₂C                    O                                     C = O

O                 C           H              H         C     HN                 CH     

                                       H         C               C          H       C                  CH                                                  У

  O             OH                  O       N

                                         HO – P ~O – H₂C              O                                        C = O

                                                   O              C     H             H       C              N                                 N    

                                                                    H    C              C       H    NH₂ –C                                 CH                            Г

                                                                          O             OH                                N            N

                                                                HO – P ~ O – H₂C                       O                                            C – NH₂

                                                                         O                 C             H                H             C        N                  CH      Ц

                                                                                             H            C                 C              H  O=C                  CH

                                                                                
                           O                OH                                N

                                                                                
                 HO – P ~ O – H₂C                O                    

                                                                                
                          O                 C        H             H         C

                                                                                
                                              H        C             C         H

                                                                                                           
                              О           ОН

 

Структура ДНК

 

                                      С = O

                        HN                  C – CH₃

                     O =C                   CH                                                             Т

                                      N

  –O – H₂C        O                                    C – NH₂

               C   H          H   C              N                                 N  

               H  C           C   H           HC                                 CH                                              А

                    O          H                              N            N

          HO – P ~ O – H₂C                    O                                     C = O

O                 C           H              H         C     HN                 C – CH₃     

                                       H         C               C          H       C                  CH                                                  Т

  O               H                   O       N

                                         HO – P ~O – H₂C              O                                        C = O

                                                   O              C     H             H       C              N                                 N    

                                                                    H    C              C       H    NH₂ –C                                 CH                            Г

                                                                          O              H                                  N            N

                                                                HO – P ~ O – H₂C                       O                                            C – NH₂

                                                                         O                 C             H                H             C        N                  CH      Ц

                                                                                
             H            C                 C              H  O=C                  CH

                                                                                
                           O                 H                                  N

                                                                                                 HO – P ~ O – H₂C                O                    

                                                                                                   
       O                 C        H             H         C

                                                                                
                                              H        C             C         H

                                                                                
                                                         O            H

 

Биологическая роль ДНК и РНК

В состав клеток входит три типа ЗНК:

1. Информационная РНК (и -РНК) или матричная РНК (м-РНК) . Она синтезируется в ядре и ее нуклеотидный состав близок к нуклеотидному составу ДНК. И-РНК снимает с ДНК информацию и переносит ее к месту синтеза белка в рибосому. Потому она выполняет роль матрицы для синтеза белка. Существуют разнообразные функции и-РНК как по нуклеотидному составу, так и по величине молекул, так как каждый белок для своего синтеза требует своей матрицы, то есть своей РНК.

2. Транспортные РНК (т-РНК) – выполняют роль переносчика аминокислот к месту синтеза белка. Одна специфическая т-РНК осуществляет транспорт одной аминокислоты.

3. Рибосомальные РНК (р- РНК) – входят в состав рибосом (субклеточных образований), в которых происходит биосинтез белка. Считается, что р – РНК выполняет структурную роль: в сочетании с соответствующими белками она образует структуру рибосомы.

ДНК содержит информацию наследственности. Отдельные участки длинной цепи ДНК содержат азотистые основания в определенной последовательности. Эти участки и являются носителями определенных наследственных признаков.

Передача наследственных признаков происходит преимущественно с помощью ДНК при делении ядер клеток. При помощи ДНК в клетке идет синтез РНК, который обеспечивает синтез специфических белков.

Молекула РНК представляет собой одноцепочечную спираль, то есть имеет только первичную структуру, которая показывает последовательность нуклеотидных звеньев. Молекула ДНК имеет еще и вторичную и третичную структуру. Вторичная структура ДНК имеет двухцепочечную спираль. Каждая цепь представляет собой полинуклеотид, в котором диэфирной связью связаны друг с другом мононуклеотиды. В цепи мононуклеотиды расположены таким образом, что азотистые основания их находятся внутри, а пентоза и фосфорная кислота – снаружи.

Две параллельно идущие цепи, обвитые вокруг общей оси, связаны друг с другом своими азотистыми основаниями вдоль всей молекулы ДНК с помощью водородных связей.

Последовательность расположения азотистых оснований в какой-либо одной из двух цепей может быть любая, но последовательность расположения азотистых оснований в другой цепи будет находиться в строгой зависимости от последовательности оснований в первой цепи. То есть должно соблюдаться правило Чаргофа, которое заключается в том, «что содержание в ДНК пуринов равно содержанию пиримидинов», а именно содержание аденина равно содержанию тимина (А=Т), содержание гуанина – содержанию цитозина (Г=Ц). Пары аденин-тимин и гуанин - цитозин являются комплементарными (дополняющими) друг другу. Эти пары соединены водородными связями. Из этого следует, что макромолекула ДНК складывается из двух коплементарных друг другу цепей.

Третичная структуру ДНК связана с пространственным расположением двойной спирали, она не может быть закручена в клубок или быть в виде компактной палочки.

Нуклеиновые кислоты – вещества белого цвета, волокнистого строения, плохо растворимы в воде в свободном состоянии, но хорошо растворимы в виде солей металлов, они также хорошо растворимы в солевых растворах.

ДНК находится преимущественно в ядре клетки (в составе хромосом), однако несколько процентов общей клеточной ДНК сосредоточено в митохондриях, хлоропластах растительных клеток. РНК встречается как в ядре, так и в цитоплазме.

 

Список использованной литературы

 

1) Биологическая химия./Под ред.Ю.Б.Филипповича,Н.И.Ковалевская,Г.А.Севастьяновой . - М., 2005

2) Биохимия./Под редакцией В.Г.Щербакова. - СПб., 2003

3) Вольхин В.В. Общая химия. Избранные главы. - СПб, М, Краснодар., 2008