через углеродный атом. По правилам химии Сахаров, нуклеозид аденозин называется также 9-р-р-рибофуранозиладенином.

О

з jb

HN NH1

н°-у°\/

но ОН псевооуриЭин (#) (Р-в-риб'Ьфиранозилураи.ил) (5-р-с-рис"офуранозилурацил)

В ДНК и РНК также присутствуют и другие основания, но в гораздо меньших количествах. В их число входят, например, 5-метилцитозин (ДНК некоторых растений и бактерий), 5-окси-метилцитозин (ДНК Т-четных фагов, бактериальных вирусов) и 4-тиоурацил (некоторые бактериальные тРНК) ¦

Гидроксильная группа сахарного остатка может быть этерифи-цирована фосфорной, пирофосфорной или трифосфорной кисло-

iuqhuh(Gu} аЗенин (Ad) пурины

Рис. 3.1. Пурины и пиримидины молекул наследственности ДНК и РНК (приведены таутомерные формы, преобладающие при рН 7).

нб он

Лриоин (U)

Биоорганическая химия фосфатов

107

7 6

e< J

4Л /i'/гпикозиЭно.'я з\—?• сеязь

Нб R

пуриновыч нуклеозиЭ

4.

т^\5

НО

N

О 1 ^ "ТА/ \/.. /гпипозиЗная 4 \ /V связь

HO R

пиримиоиновый нидлеозиЭ

R Пуриновое или пиримидиновое основание Нуклеозид

ОН Цитозин Цитидин (С)

Н Дезоксицитидин

ОН Тимин Тнмидин (Т)

Н » Дезокситимидин

ОН Урацил Уридин (U)

Н « Дезоксиурндин

ОН Аденин Аденозин (А)

н » Дезоксиаденозин

ОН Гуанин Гуанознн (G)

н Дезокснгуанознн

Рис. 3.2. Структура и номенклатура основных нуклеозидов.

той с образованием соответственно моно-, ди- или трифосфатов нуклеозидов. Ранее нам уже встречался аденозинтрифосфат. Соединение, состоящее из основания, сахара и фосфата, называется нуклеотидом. Подобно аминокислотам — мономерным звеньям белкового полимера, — нуклеотиды (нуклеозидмонофосфаты)

R I

О R'

II г-------, I

H2N—СН—C^OT + Hj-NH—СН—СООН

R О R'

—- H2N—СН—С—NH—СН—СООН (Зипептио) пептиВная связь

в О в°\11/0

р

О основание

NO01

Ху

он

л ,6 он

р

I

он

1У \ г\ 01

I X

-н,о

основание'

v ^ ОС

Xi

г б он он V-C

основание

(ЭиниклеотиА;

основание

НО он

но он

фосфоэфирная связь

В настоящей главе под основанием понимают пурины или пиримидины.

108

Глава S

представляют собой мономерные единицы полимерных молекул ДНК и РНК- Более того, подобно тому как мономерные аминокислоты соединены между собой амидными (пептидными) связями, мономерные нуклеотиды соединяются фосфодиэфирными связями (см. с. 107). И в ДНК, и в РНК нуклеозиды присоединены к неорганическому фосфату своей З'-гидроксильной группой (а не 2'-гидроксильной) одного сахарного остатка и 5'-гидроксильной группой другого. Фосфат при этом существует в виде диэфира, обладая только одним отрицательным зарядом (рКа ~ 2,0) при физиологических значениях рН. Обычный партнер такой частицы — катион металла (магния) или протонированного амина (полиаминов, гистоновых белков).

Важно уяснить, что именно основания, пуриновые или пири-мидиновые, являются носителями генетической информации, подобно тому как боковые цепи аминокислот определяют химические и функциональные свойства аминокислоты. Носитель наследственной информации — молекула ДНК — организована в клетке в структурные единицы — гены. Эти последние в свою очередь локализованы в особых структурах — хромосомах, которые находятся в ядре животных или растительных клеток. Именно ген содержит информацию, определяющую специфический признак: цвет глаз и волос, рост, пол и т. д. Однако для описания на молекулярном уровне ген — довольно сложное образование, так как число молекулярных стадий при реализации конкретного признака может быть весьма велико. Отметим, что любой генетический признак реализуется с помощью белкового синтеза (структурного белка либо фермента), и введем понятие более простого элемента — цистрона. Цистрон определяют как часть ДНК, которая несет генетическую информацию (кодирует) о синтезе лишь одной полипептидной цепи. Хромосома содержит много сотен цистронов. Все количество ДНК, содержащееся в клетке, называется геномом.

Генетическая информация передается от родительской клетки к дочерней путем репликации (синтеза) ДНК- Генетическая информация сохраняется в ДНК ДО тех пор, пока не понадобится, а затем превращается в «инструкцию» по синтезу белка специфической последовательности в процессе транскрипции. Генетическая «инструкция» переписывается на полимерную молекулу РНК (мРНК). Она в свою очередь взаимодействует с соответствующими специфическими аминоацил-тРНК, в результате чего происходит последовательное присоединение аминокислот. Перевод генетической информации из РНК в специфическую аминокислотную последовательность называется трансляцией.

Термины репликации, транскрипции и трансляции можно понять, проводя аналогию с процессом создания книги. Для набора в типографии готовят много копий, или реплик (репликация). Если из книги переписывают отрывок, это соот-

Биоорганическая химия фосфатов

109

ветствует транскрипции. Если книга написана на другом языке, ее переводят (трансляция от нуклеотидов к аминокислотам).

Процесс передачи генетической информации можно изобразить с помощью приведенной ниже схемы, к которой следует лишь немногое добавить, чтобы получить представление о передаче этой информации на молекулярном уровне.

репликация (синтез de novo) ДНК -* накопление ДНК

^транскрипция

трансляция

РНК--*¦ накопление белка

3.2. Общие свойства компонентов нуклеиновых кислот

3.2.1. Пурины и пиримидины

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

Кислородсодержащие основания способны к лактам-лактим-ной таутомерии. В большинстве случаев резонансная энергия амидной группы (или амидных групп) играет более значительную роль, чем резонансная стабилизация ароматического кольца, так что превалирует лактамная форма, например:

9 он

™? J A J

но-V

уродил урацип (пактам) (лактим)

Пурины и пиримидины представляют собо'й слабые основания, рКа ~ 9,5 (для азота ароматического кольца). Например, значения рКа диссоциации протонов при N-1 или N-3 урацила (по

um.S.

* ц т.д.

по

Глава 8

своему поведению при диссоциации эти протоны эквивалентны) или N-9 аденина равны 9,5 и 9,8 соответственно. Такие основные свойства можно объяснить резонансной стабилизацией аниона и 5р2-гибридизацией азота ароматического кольца. Напомним, что, чем больше s-характер рассматриваемого атома, тем он более кислый.

Значения рКа экзоциклических аминогрупп также отличаются от соответствующих значений для обычных аминов. Так, эти аминогруппы не иротонируются при физиологических рН, и даже протонируются не в первую очередь,— мнение, принятое в течение многих лет (табл. 3.1). Такие свойства уже обсуждались (ср. анилин и циклогексиламин, табл. 2.1); они объясняются де-

Таблица 3.1. Значения рК,а для большинства основных пуринов и пиримидинов

гийнола)

Нб бн *-n- p^ = l2,S

гнанозин

рКГ, = 4.11 (4.45 "

10.)

уриоин цитиЭин

Биоорганическая химия фосфатов

111

локализацией не связывающих электронов азота в циклической системе.

Наличие атомов азота как в кольцевой структуре, так и экзо-циклических, конечно, влияет не только на диссоциацию, но и на реакционную способность соединений. Присутствие атомов азота определяет ход реакций электрофильного и нуклеофильного замещения. Например, два гетероциклических атома азота в пи-римидинах вызывают перераспределение электронной плотности в ароматическом кольце, так что С-5 обладает повышенной электронной плотностью по сравнению с остальными углеродными

в

атомами и легко подвергается атаке электрофилом. По этой же причине С-8 в пуринах обладает повышенной электронной плотностью по сравнению с С-2 и С-6 и, таким образом, легко участвует в реакциях электрофильного замещения. Очевидно, что

N

>

3 Н

el

N

I

\

4N' Н

ncx>

н

оттягивание' электронов us положения 8 только оВним .атомом азота

:N

н н

С-4 и С-5 не могут принимать участие в реакциях электрофильного замещения. Добавим, что яр3-гибридизация атома N-9 обеспечивает подачу электронов к С-8:

н

н

Следовательно, путем электрофильного замещения можно получить ряд биологических аналогов пуринов и пиримидинов. Особенно следует отметить реакцию галогенирования, позволяющую получать интермедиаты, которые способны превращаться в другие производные. Ниже приведены некотерые примеры.

Хлорирование уридина О

•кЛ0 «>nA0 Ц^Ц

R R

.в О R

R

5-хлоруридин.

Бромирование аденозина

I

R

§-йминоа.Эе.Н05цМ)д

Биоорганическая химия фосфатов

113

Синтез тимидина из уридина

R R R

R =pu6"03(L

Пуриновые и пиримидиновые основания сильно поглощают в ультрафиолетовой области спектра благодаря наличию л-электро-нов, Ятах « 260 нм (с2бо нм « Ю4); для белков 1шах « 280 им. Положение максимума поглощения зависит от структуры основания (отсюда следует, что и от рН раствора, поскольку с изменением рН преобладают различные таутомерные формы), от введения в гетероциклическое ядро заместителей, но незначительно — от структуры сахарного остатка. Такие свойства полез-'но знать при синтезе пуриновых и пиримидиновых производных, так как их можно характеризовать соответствующими максимумами поглощения в ультрафиолетовых спектрах, а при хромато-¦графическом определении также идентифицировать по поглощению в ультрафиолетовой области, например для N-бензоилгуано-1зина (синтезируемого бензоилированием основания и сахарного [остатка нуклеозида бензоилхлоридом в пиридине с последующим [удалением бензоильных групп с сахарного остатка гидроксидом натрия):

УФ-спектры наиболее распространенных нуклеозидов можно най-ти в большинстве биохимических учебников.

3.2.2. ДНК и РНК

I О ДНК и РНК говорилось как о высокомолекулярных соединениях, состоящих из мономерных единиц —- нуклеозидов, соединенных между собой фосфодиэфирнымн связями. Такое описание может привести к представлению, будто бы это длинные

114

Глава 8

одноцепочечные молекулы. Однако ДНК и РНК могут образовывать и двусп