ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

МИНИСТЕРСТВО ОХРАНЫ ЗДОРОВЬЯ УКРАИНЫ
ХАРКОВСЬКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ.
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ
СТРУКТУРНЫЕ КОМПОНЕНТЫ
Методические указания для самостоятельной работы студентов
1-го курса по биологической и биоорганической химии
(модуль 1)
Утверждено
Учёным советом университета
Прот. №10 от 21 ноября 2013 г.
Харьков
2014
1
Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты и их компоненты:
Метод. указ. для студентов 1-го курса / сост. А.О. Сыровая, Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина, Е.Р. Грабовецкая, В.А. Макаров, С.В. Андреева,
С.А. Наконечная, Л.В. Лукьянова, Р.О. Бачинский, С.Н. Козуб, Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова, Н.В. Копотева, Н.Н. Чаленко. – Харьков: ХНМУ, 2014. – С. 27.
Составители:
А. О. Сыровая,
Л. Г. Шаповал,
В. Н. Петюнина,
Е. Р. Грабовецкая,
В. А. Макаров,
С. В. Андреева,
С. А. Наконечная,
Р. О. Бачинский,
С. Н. Козуб,
Т. С. Тишакова,
Л. В. Лукьянова,
О. Л. Левашова,
Н.В.Копотева,
Н. Н. Чаленко
Тема 1. БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Мотивационная характеристика темы
Большое значение гетероциклических соединений заключается в том, что
их циклы лежат в основе многих природных и биологически активных веществ
и лекарственных препаратов.
Алкиллированные пирольные ядра лежат в основе важных биологически
активных соединений: гемина, хлорофилла, витамина В12.
Гетероциклические циклы (индол, имидазол и др.) входят в состав
некоторых незаменимых аминокислот: триптофана, гистидина и др.
В состав многих лекарственных препаратов также входят гетероциклы: в
состав ненаркотических анальгетиков входит пиразолон – 5; витамин РР и в
состав противотуберкулезных препаратов – пиридин.
Учебная цель
Сформировать знания строения и особенностей химического
поведения гетероциклических соединений, обладающих биологической
активностью.
Учебно-целевые вопросы:
1. Состав, строение, химические свойства пятичленных гетероциклов:
фурана, тиофена, пиррола.
2. Производные пиррола: ядро порфина – основа биологически
важнейших пигментов; индол и его производные (-индолил-уксусная кислота,
серотонин).
3. Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. Азолы: пиразол,
имидазол. Пиразолин и его производные – ненаркотические анальгетики.
4. Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом. Строение и
химические свойства пиридина.
5. Пиридинкарбоновые кислоты. Никотиновая кислота и никотинамид.
НаД+ и НаДФ+. Изоникотиновая кислота и ее производныепротивотуберкулезные препараты.
6. Хинолин, изохинолин и лекарственные препараты, на их основе.
7. Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами. Пиримидин, его
окси- и аминопроизводные.
8. Пурин и его производные: гипоксантин, ксантин, мочевая кислота.
Исходный уровень
1. Электронное строение пиридинового атомов азота.
2. Реакции электрофильного и нуклеофильногозамещения.
3. Водородная связь
4. Кислотность и основность органических соединений.
5. Лактам – лактимная таутомерия.
Практические навыки
Проведение качественных реакций
препараты гетероциклического ряда.
на
некоторые
лекарственные
Контрольные вопросы
1. Пиридиновый и пуриновый циклы входят в состав важнейшего
кофермента НАД+. Какое химическое свойство пиридинового цикла
определяет участие НАД+ в окислительно-восстановительных реакциях живых
систем? Приведите примеры лекарственных веществ, содержащих
пиридиновый и пуриновый циклы.
2. Напишите схему реакции декарбоксилирования гистидина и
триптофана. Приведите строение серотонина. Биогенная роль образовавшихся
аминов.
3. Напишите таутомерные формы мочевой кислоты.
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача №1. Что такое гетероциклические соединения? Приведите
наиболее распространенные гетероциклы.
Эталон решения. Молекулы гетероциклических соединений содержат
циклы, в образовании которых кроме атома углерода принимают участие атомы
других элементов (чаще всего азота, кислорода, серы), которые называются
гетероатомами.
В состав гетероциклов могут входить один или несколько
одинаковых или разных гетероатомов. Наиболее стабильные и наиболее
распространены пяти – и шестичленные гетероциклы. Обычно их
классифицируют по размеру циклов и числу гетероатомов на следующие
основные группы:
Пятичленные гетероциклы с одним гетероатомом:
N
O
S
фуран
тиофен
H
пиррол
Пятичленные гетероциклы с двумя гетероатомами:
N
N
N
N
N
S
H
пиразол
H
имидазол
тиазол
Шестичленные гетероциклы с одним гетероатомом:
N
пиридин
Шестичленные гетероциклы с двумя гетероатомами:
N
N
пиримидин
Конденсированные гетероциклические системы
N
N
N
N
N
H
H
индол
N
хинолин
пурин
Азотсодержащие гетероциклические соединения проявляют основные
свойства. Кроме того, гетероциклы подобно бензолу, обнаруживают
ароматический характер; циклы гетероциклических соединений лежат в основе
многих биологически активных веществ и лекарственных соединений.
Задача № 2.
В каких биологически важных системах встречается
пиррольний цикл? Роль в жизнедеятельности этих систем.
Эталон
решения.
Большое
биологическое
значение
имеют
тетрапиррольные соединения, в состав которых входят четыре пиррольних
кольца, причем два из них находятся в изоформе:
N
N
..
H
пиррольное
изопиррольное
Эти четыре кольца образуют замкнутую сопряженную систему –
называемую порфином:
R
R
III
III
N
VI
H
N
N
R
N
II
VI
H
H
N
N
II
H
R
N
R
R
N
I
I
R
Порфин
R
Порфирин
Порфин содержит 26 делокализованных электронов, весь цикл лежит в
одной плоскости и обладает значительной устойчивостью, не разрушаясь даже
при нагревании до температуры 3500С. Порфин, который содержит заместители
в пиррольних циклах, называется порфирином. Примером порфирина является
протопорфирин, в котором заместителями выступают метильные и винильные
радикалы, а также остатки пропионовой кислоты.
Порфирин в природе образует комплексы с металлами. Если
комплексообразователем является Fе2+, то порфирин называется гемом и
составляет небелковую часть (простетическую группу) гемоглобина.
Конденсированния система из бензольного и пиррольного циклов (индол)
входит в состав незаменимой аминокислоты – триптофана.
CH2 CH
NH2
N
H
триптофан
COOH
Первый
путь
биохимических
превращений
триптофана
–
гидроксилирование с образованием 5-гидрокситриптофана, который далее
подвергается декарбоксилированию, давая 5-гидрокситриптамин (серотонин).
5-гидрокситриптофан
Триптофан
CH2 CH COOH
CH2 CH COOH
HO
NH2
NH2
N
N
H
H
- CO2
CH2 CH2
HO
NH2
N
H
5-гидрокситриптамин (серотонин)
Второй
путь
метаболизма
-индолилуксусную кислоту:
триптофана
–
превращение
в
О
O
NH3
Триптофан
CH2 CH COOH
NH2
N
H
CH2 C COOH
O
N
H
CH2 COOH
О
O
CO2
N
H
 - индолилуксусная кислота
Гетероауксин является гормоном роста растений, оказывает большое
влияние на развитие корневой системы.
Задача № 3. В какие физиологически важные системы входит имидазол?
Амфотерность имидазола.
Эталон решения. Имидазольний цикл входит в состав гистидина – одной
из аминокислот, которые образуют белки.
CH2
N
CH
COOH
NH2
N
H
Гистидин
В организме имидазол в составе гистидина принимает участие в ряде
ферментативных реакций, проявляя свойства донора и акцептора протонов. Эти
его свойства обусловлены разным состоянием атомов азота, которые образуют
цикл. Один из них (1) – пиррольный, неподеленная пара электронов которого
вступает в сопряжение с π-электронами кольца. Второй (3) – пиридиновый,
принимает участие в сопряжении одним р-электроном, а за счет спаренных
электронов может присоединять протон, проявляя основные свойства.
Имидазол образует соли как с минеральными, так и с некоторыми
органическими кислотами:
+
H
..
N
N
+
-
HCl
Cl
N
N
H
H
За счет пиррольного азота имидазол проявляет кислотные свойства, так
как связь N-Н поляризована и возможно отщепление протона (N-H
кислотность). Имидазол является более сильной кислотой, чем пиррол,
поскольку пиридиновый азот действует как электроноакцепторный
заместитель, увеличивая поляризацию N-H связи:
N
N
+ H+
··
N
-
··
N
H
Амфотерный характер имидазола обусловливает его участие в реакциях в
виде аниона или катиона, то есть способность выступать в качества донора и
акцептора протонов.
Замещенные гетероциклические кольца пиримидина и тиазола входят в
состав тиамина (витамина В1). В организме дифосфат тиамина является
коферментом
(кокарбоксилаза),
который
декарбоксилировании пировиноградной кислоты.
принимает
участие
в
Задача № 4. Какая роль производных пиридина в окислительновосстановительных реакциях в организме?
Эталон решения. Из производных пиридина очень важны
пиридинкарбоновые кислоты. β-пиридинкарбоновая (никотиновая) кислота, ее
амид (никотинамид), известны как две формы витамина РР, недостаток
которого в организме вызывает пеллагру. Никотинамид входит в состав
кофермента НАД+, который катализирует окислительно-восстановительные
процессы. Его каталитическое действие связано с нуклеофильными свойствами
пиридинового азота. Так при действии на пиридин и никотинамид
галогеналкилов образуются четвертичные соли метилпиридиния:
O
С NH2
O
С NH2
+ CH3
I
I–
+
N
N
CH3
В организме метиллирующим агентом является активированная форма
-аминокислоты метионина.
Катион, который образовался, за счет положительного заряда на атоме
азота становится еще более электронодефицитным, причем наименьшая
электронная плотность имеет место в положении 4 пиридинового ядра. Именно
в этом положении проходит нуклеофильная атака при взаимодействии с
гидрид-ионом:
H
H
O
С N H2
O
С N H2
+
+ H–
N
[O]
CH3
N
CH3
В результате этой реакции катион присоединяет электронную пару
гидрид-иона. При этом кольцо теряет ароматичность, переходя в состояние с
большей энергией. При обратной реакции осуществляется окисление и энергия,
которая при этом выделяется, тратится на биохимические процессы.
H
OH
H
C
C
H
CH2 + НАД+
C
C
O
CH2
+ НАДН + H+
COOH COOH COOH
COOH COOH COOH
В организме при участии НАД+
происходит окисление
гидроксилсодержащих соединений (например, изолимонной кислоты в
щавелевоянтарную в цикле Кребса).
В данном случае дегидрирование осуществляется с отделением гидрид
иона и протона. Гидрид-ион присоединяется к НАД+, образовывая
восстановленную форму НАДН.
Задача № 5. Какие таутомерные формы известны для мочевой кислоты?
Биологическая роль мочевой кислоты.
Эталон решения. Мочевая кислота – конечный продукт метаболизма
пуриновых соединений в организме. Она выделяется с мочой в количестве 0,51г. за сутки. Для всех гидроксипроизводных пурина характерна оксиоксотаутотомерия: (лактам-лактимная таутомерия).
O
O
H
H
N
HN
O
N
N
H
H
N
O
HO
N
N
N
OH
H
Мочевая кислота малорастворима в воде. Она является двухосновной
кислотой и поэтому может образовывать кислые и средние соли:
O
O
H
H
N
O
N
N
N
H
H
+ NaOH
H
H
N
+ NaOH
O
- H2O
N
O
N
ONa
N
H
O
H
+ NaOH
- H2O
H
N
N
- H2O
NaO
N
N
ONa
Соли мочевой кислоты называются уратами. Средние соли щелочных
металлов хорошо растворяются в воде; кислые (кроме литиевых) –
малорастворимые.
При некоторых нарушениях в организме соли мочевой кислоты
откладываются в мочевом пузыре, почках, мочевыводящих путях в виде
мочевых камней.
Пурин являет собой конденсируемую гетероциклическую систему,
которая состоит из пиримидинового и имидазольного циклов. Пурин является
родоначальником большой группы биологически важных соединений.
Пуриновые основания – аденин и гуанин– компоненты нуклеиновых кислот.
NH2
O
N
N
N
N
H
6-аминопурин
(аденин)
H
H2N
N
N
N
N
H
2-амино-6-оксопурин
(гуанин)
Эти соединения образуются при распаде нуклеиновых кислот. В
организме отсутствуют ферменты, которые катализируют процессы деструкции
пуринового ядра.
Задача № 6. В состав каких лекарственных препаратов входит пиразол?
Эталон решения. Ядро производного пиразола – пиразолона-5 – лежит в
основе группы ненаркотических анальгетиков: антипирина, амидопирина,
анальгина, бутадиона:
CH3
CH3
4
5
O
H3C
2
1
CH3
N
3
NH
O
N
N
N
H
C6H5
пиразолон-5
антипирин
CH3
N
O
N
CH3
C6H5
амидопирин
Эти вещества применяются как обезболивающие, жаропонижающие и
противовоспалительные средства.
Задача № 7. В каких биологически активных соединениях встречается
хинолин?
Эталон решения. Ценную группу лекарственных препаратов составляют
производные 8-гидроксихинолина (оксина). Энтеросептол (5-хлор-7-йод-8гидроксихинолин) плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта, поэтому
оказывает антибактериальное действие в кишечнике и применяется для лечения
дизентерии и колитов.
Нитроксалин (5-нитро-8-оксихинолин) быстро всасывается из желудочнокишечного тракта и выводится через почки. Поэтому его применяют при
инфекциях почек и мочевых путей.
В
основе
биологического
действия
препаратов
8гидроксихинолинового ряда лежит их способность к образованию хелатных
комплексов с ионами некоторых металлов (кобальта, магния и т.д.). Таким
образом происходит связывание микроэлементов, необходимых для
жизнедеятельности бактерий.
Вопросы и упражнения.
№1
1. Приведите строение пиразола, имидазола и пиррола. Объясните,
почему они являются ароматическими соединениями. Сравните поведение
имидазола и пиррола в кислой среде.
2. Приведите
строение
лекарственных
соединений,
включающихфрагмент амида никотиновой кислоты, – витамина РР.
Применение никотинамида.
3. Напишите уравнения реакций, которые протекают с триптофаном
(-индолил--аминопропионовой кислотой). Назовите продукты реакций.
№2
1. Напишите уравнение реакции сульфирования. По какому механизму
протекает реакция?
2. Напишите уравнение реакции декарбоксилирования никотиновой
кислоты. Как определить, что реакция прошла?
3. Напишите лактим-лактамную таутомерию мочевой кислоты. Роль
мочевой кислоты в обмене веществ.
№3
1. Опишите механизм нитрирования фурана.
2. Охарактеризуйте
строение
и
применение
производных
изоникотиновой кислоты – тубазида и фтивазида.
3. Объясните причину кислотности барбитуровой кислоты и ее
производных – барбитала и фенобарбитала. Применение препаратов.
№4
1. Напишите уравнение качественной реакции антипирина с азотистой
кислотой.
2. Приведите строение пиридина, пиримидина, и пурина. Укажите
нумерацию атомов. Объясните, почему эти соединения являются
ароматическими.
3. Приведите примеры растворимой и нерастворимой солей мочевой
кислоты.
№5
1. Напишите уравнение качественной реакции антипирина с азотистой
кислотой.
2. Чем
объясняется
способность
пиридина
и
пиримидина
взаимодействовать с соляной кислотой?
3. Приведите
строение
биогенных
аминов
–
триптамина
(-индолилэтиламина)
и
серотонина
(5-окситриптамина).
Какая
гетероциклическая структура является их основой?
№6
1. Напишите уравнение реакции взаимодействия антипирина с йодом. По
какому механизму проходит эта реакция?
2. Напишите уравнение реакции взаимодействия пиридина с бромистым
метилом. По какому механизму протекает реакция?
3. Приведите структуры таутомеров ксантина (2,6-диоксопурина). В
состав каких лекарственных препаратов входит ядро ксантина?
№7
1. Напишите формулу амидопирина. Применение препарата.
2. Напишите уравнение реакции образования никотинамида из
никотиновой кислоты. Применение никотинамида в медицинской практике.
3. Приведете лактам – лактамную таутомерию барбитуровой кислоты.
Какой вид таутомерии обусловливает кислотные свойства барбитуровой
кислоты?
№8
1. Какие особенности гистидина обусловливают его кислотно-основные
свойства?
2. Напишите уравнение реакции взаимодействия никотиновой кислоты с
раствором щелочи при нормальных условиях и при нагревании. Какие
продукты образуются?
3. Приведите строение индола. В состав каких биологически активных
соединений входит индол?
№9
1. Напишите схему получения амидопирина из антипирина.
2. Какой процесс лежит в основе получения кофермента НАД+?
Напишите схему реакции.
3. Приведите уравнения реакций, которые подтверждают основные
свойства хинолина.
№ 10
1. Напишите структуру порфина. В состав каких биологически важных
соединений входит порфин?
2. Напишите уравнение реакции гидрирования пиридина. Назовите
образованное соединение. В каких лекарственных препаратах содержится
гидрированный пиридин?
3. Приведите структуры лекарственных препаратов, в состав
которыхвходит ядро 8-гидроксихинолина. Применение этих лекарственных
средств.
№ 11
1. Напишите уравнение реакции декарбоксилирования триптофана.
2. Напишите строение фтивазида. При каких заболеваниях
применяется.
он
3. Напишите таутомерные формы гипоксантина. Нумерация атомов в
ядре.
№ 12
1. Какие производные пиразола нашли применение в медицине.
Напишите структуры.
2. Напишите уравнение реакции получения йодистого метилпиридинияи
реакцию его взаимодействия с гидрид- ионом. Значение этой реакции.
3. Напишите структуру лактамной формы мочевой кислоты. Роль
мочевой кислоты в физиологии организма.
№ 13
1. Напишите уравнение качественной реакции на антипирин, применение
препарата.
2. Напишите схему реакции получения гидразида изоникотиновой
кислоты, применение соединения.
3. Напишите структуру пиримидиновых оснований, которые входят в
состав нуклеиновых кислот.
№ 14
1. Напишите уравнение реакции полного и неполного гидрирования
пиррола. Механизм реакции.
2. Напишите уравнение реакции взаимодействия пиридина с хлоридом
железа (ІІІ). Какое вещество выпадает в осадок?
3. Напишите уравнение реакции образования барбитуровой кислоты. В
состав каких лекарственных средств она входит? Применение этих препаратов.
№ 15
1. Напишите уравнение реакции сульфирования тиофена. По какому
механизму протекает реакция?
2. Напишите уравнение реакции получения йодистого метилпиридиния.
Какое соединение пиридин или метилпиридиниевый катион легче вступает в
реакцию нуклеофильного присоединения и почему? В состав которого
кофермента входит алкилпиридиневый ион?
3. В состав каких нуклеиновых кислот входит пурин? Приведите
нумерацию атомов в ядре и структуры соединений.
Тема ІІ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ И ИХ КОМПОНЕНТЫ
Мотивационная характеристика темы
Знание строения и свойств биополимеров (нуклеиновых кислот)
необходимо для понимания сущности нормальных процессов и патологии,
происхождения наследственных заболеваний, перспективных проблем
управления некоторыми процессами жизнедеятельности.
Учебная цель
Изучить строение нуклеиновых кислот – важнейших структурных
элементов клетки на уровне их первичной и вторичной структуры.
Учебно-целевые вопросы
1. Знать состав и строение компонентов нуклеиновых кислот – рибозы,
дезоксирибозы, а также пиримидиновых и пуриновых оснований.
2. Уметь составлять формулы нуклеозидов и нуклеотидов из их
компонентов.
3. Знать состав и строение важных нуклеотидов (АТФ, НАД+, НАДФ+)
и иметь представление об их биологической роли.
4. Знать линейное и пространственное строение нуклеиновых кислот и
их биологическое значение.
Исходный уровень
1.
2.
3.
4.
Таутомерия. Окси-оксотаутомерия углеводов.
Строение и отношение N-гликозидов к гидролизу.
Сложноэфирная связь и ее свойства.
Водородная связь.
Практические навыки
Приобрести навыки по образованию структур нуклеозидов, нуклеотидов,
нуклеиновых кислот.
Контрольные вопросы
1. Напишите формулы следующих нуклеотидов:
а) адениловой кислоты (5’-аденозинмонофосфата);
б) дезоксицитидиловой кислоты (5’-дезоксицитидилмонофосфата)
2. Напишите фрагмент молекулы ДНК, с последовательностью
мононуклеотидов Т- дГ- дЦ -дА
3. Напишите схему гидролиза АТФ
Обучающие задачи и эталоны их решения
Задача № 1. Приведите структуры гетероциклических оснований,
которые входят в состав нуклеиновых кислот. Какие таутомерные превращения
возможны для урацила и гуанина? Для каждого из них напишите
комплементарное взаимодействие с соответствующими основаниями.
Эталон
решения.
В
состав
нуклеиновых
кислот
входят
гетероциклические основания пиримидинового ряда – урацил (в РНК), тимин (в
ДНК) и цитозин как в ДНК, так и в РНК, и пуринового ряда, – аденин, гуанин (в
ДНК и РНК). Их также называют нуклеиновыми основаниями.
O
H
O
N3
O
H
4
5
2 1 6
N3
2
N
H
O
4
1
5
6
NH2
CH3
N3
N
H
6
O
N
5
7
4
9
H
3
N
N
6
N1
8
2
N
H
Цитозин (Ц)
4-амино-2-оксопиримидин
NH2
N1
5
2 1 6
O
Тимин (Т )
5-метилурацил
5-метил-2,4-диоксопиримидин
Урацил (У)
2,4-диоксопиримидин
4
2
3
H2N
7
4
9
N
H
Аденин (А)
6-аминопурин
N
5
8
N
H
Гуанин (Г)
2-амино-6-оксопурин
Урацилу, цитозину, тимину и гуанину характерна лактам-лактимная
таутамерия обусловленная наличием N-H кислотности.
O
H
OH
N
O
N
N
HO
N
H
Лактамная
форма
Лактимная
форма
OH
O
H
N
N
H2N
N
N
H
N
N
H2N
N
N
H
Стабильнее лактамная форма, поэтому в состав нуклеиновых кислот
основания входя в лактамной форме.
Комплементарное взаимодействие между двумя нуклеиновыми
основаниями обусловлено возникновением водородных связей между атомами
кислорода оксигруппы одного основания и между атомами водорода
аминогруппы других оснований; между атомом водорода пирольного азота
одного основания и парой электронов пиридинового азота другого основания.
Из двух оснований, образующих комплементарную пару, одно основание
пуринового, второе пиримидинового ряда:
H3C
O .......................... N H
.
N
N H ...........: N
N
R
Т
O
N
N
R
H N H ................................ O
N : .................... H N
.
N
O ........... H N
N
..
R
H
N
N
R
А
Г
А
Ц
Плоская конфигурация комплементарных парЦпозволяет им укладываться
одна над другой подобно стопке пластин.
Задача № 2. Напишите структуру N-гликозидов: нуклеозидов аденозина и
дезоксицитидина. Напишите уравнение гидролиза аденозина как характерную
реакцию для гликозидной связи.
Эталон
решения.
Нуклеозидами
называются
N-гликозиды,
образованные нуклеиновыми основаниями с рибозой или дезоксирибозой. В
зависимости от природы углеводного остатка названия нуклеозида образуется
от тривиального названия соответствующего нуклеинового основания с
окончанием –идин для пиримидиновых и –озин для пуриновых нуклеозидов.
Цитозин + дезоксирибоза  дезоксицитидин
Аденин + рибоза  аденозин
Образование
гликозидной
связи
осуществляется
пиримидиновых оснований C1-N1, для пуриновых – С1-N 9
для
NH2
NH2
N
N
цитозин
1
N
O
- H2O
H
HO
H
O
1'
H
1
N
O
O
CH2OH
H
H
H
H
OH
2-дезокси-Д-рибофураноза
H
NH2
N
H
N
N
- H2O
9
N
N
H
H
OH
дезоксицитидин
NH2
N
1'
H
CH2OH
N
HO
9
N
O CH2OH
аденин
1'
H
1'
H
H
H
H
H
H
H
OH
OH
OH
CH2OH
O
OH
Нуклеозиды расщепляются в кислой среде, но устойчивы к гидролизу в
слабощелочной среде.
аденозин
Задача № 3. Приведите
схему получения аденозинтрифосфорной
кислоты
Д-рибофураноза
(АТФ), которая является движущей силой биохимических процессов в
организме.
Эталон решения. Нуклеотиды – это фосфорилированные нуклеозиды.
Обычно в нуклеозидах этирифицируется гидроксильная группа при С-5'
пентозного остатка. Это реакция нуклеофильного замещения.
NH2
N
N
O
HO
P
OH
O
5
CH2 O
4
H
N
аденин
N
N-гликозидная связь
H
1
H 3
2
H
сложноэфирная OH OH
свя зь
Д-рибоза
Образовалось новое соединение со сложноэфирной связью – нуклеотид:
аденозин-5'-монофосфат(адениловая кислота, АМФ). При построении АТФ
изАМФ образуются макроэргические связи и накапливается энергия (31,2
)
NH2
O
HO P OH
N
N
O
N
H2 C
OH
N
O
H
OH
H
OH
N
N + H PO
3
4
O
N
H2 C
H3PO4
H
H
O P OH
HO P
+ H3PO4
NH2
O
O
O
H
H
OH
H
OH
H
N
H3PO4
АДФ
O
HO P
+ H3PO4
H3PO4
OH
O
O
P
OH
NH2
O
O P OH
N
N
O
N
H2 C
Макроэргические
H
свя зи
O
H
H
OH
H
OH
N
АТФ
При гидролизе энергия освобождается и используется в организме для
других
энергетических
процессов.
Остатки
фосфорной
кислоты
фосфорирования других соединений.
Задача № 4. Напишите схему превращения молочной кислоты в
пировиноградную с участием кофермента НАД+.
Эталон решения. Нуклеотиды входят в состав многих коферментов.
Примером может быть никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) и связанный с
ним никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ+), осуществляющие
перенос водорода.
O
C NH2
+
N
H
O
H
O
NH2
C O P O P OH
H
H
O
HH
OH
N
OH OH
CH2
N
O
H
H
OH
НАД
НАДФ+
N
H
H
+
N
O
OR
R=H
R = PO3H2
Превращение молочной кислоты к пировиноградную при участии НАД+
служит примером реакции окисления – дегидрирования. Происходит
отщепление от субстрата двух атомов водорода. Один из них – гидрид – ион
реагирует с катионом пиридиния, второй в виде протона остается в
окружающей среде.
Восстановленной кофермент НАДН потом может участвовать в
окислительно- восстановительной реакции в качестве донора электронов.
О
C
NH2
+
N
R
НАД+
C
CH3
+ H
C
О
H
H
NH2
OH
COOH
CH3
N
+ C
+
O + H
COOH
R
НАДН
Задача № 5. Дайте определение первичной структуры нуклеиновых
кислот. Охарактеризуйте строение цепи ДНК с последовательностью
нуклеотидов дА-дЦ-дГ-Т.
Эталон решения. Первичная структура нуклеиновой кислоты –
последовательность нуклеотидов (порядок соединения нуклеотидов).
Образование полинуклеотидной цепи осуществляется за счет связывания
фосфатными остатками ОН-групи при С-3’ остатка нуклеотида. Из таких
фрагментов строятся цепи ДНК. Принцип построения первичной структуры
РНК такой же за двумя исключениями: пентозним остатком является Д-рибоза,
а в наборе гетероциклических оснований не тимин, а урацил.
В последовательности нуклеотидов ДНК зашифрована генетическая
информация, которая при делении клетки должна передаваться дальше. Это
осуществляется путем точного воссоздания (репликации) молекул ДНК.
Сначала двойные цепи двойной спирали начинают расщепляться и на
протяжении каждой из них образуется новая цепь за счет комплементарности.
Таким образом, из одной молекулы ДНК образуются две
тождественныеисходной и друг другу. Аналогично на деспирализующейся
молекуле ДНК происходит репликация молекул И-РНК, последовательность
нуклеотидов которой определяет аминокислотный состав белков, которые
синтезируются в организме.
NH2
N
N
. . . O CH2
H
O
аденін (А)
аденин (А)
N
N
H
NH2
H
H
O
O
P
OH
O
H2
C
H
N
O
O
H
O
N
H
H
цитозин (Ц)
цитозин (Ц)
N
H
Н
N
гуанин
(Г)(Г)
гуанін
H
N
O
O
P
OH
O
H2
C
H
O
H
H
H
NH2
N
H
O
H2 C
Н3С
N
Н
тимин
тимін (Т)(Т)
O
O
P
O
H2
C
H
OH
N
O
O
H
H
H
H
O
O
P
…..
OH
O CH2
Задача № 6. Чем определяется существование вторичной структуры
ДНК? В чем заключается отличие вторичной структуры ДНК и РНК?
Эталон решения. Вторичная структура ДНК представляет собой
спираль, которая состоит из двух переплетенных цепей нуклеотидов. Полный
виток двуспиральной цепи ДНК включает 10 мононуклеотидов. Структура
двойной спирали поддерживается Ван-дер-Ваальсовыми силами притягивания,
которые действуют между комплементарными основами: аденин (А) – тимин
(Т) и гуанин (Г) – цитозин (Ц). В одном направлении вдоль спирали связи
между углеродными и фосфатными остатками будут 3’-5’, а во второй цепи
спирали – 5’-3’, то есть они антипараллельны. Комплементарность оснований
лежит в основе закономерностей, которым подчиняится остатки нуклеотидов
ДНК разного происхождения, которые сформулированы Чаргаффом:

количество
пуриновых
оснований
равняется
количеству
пиримидиновых оснований, то есть (А+Г)=(Ц+Т);

количество аденина равняется количеству тимина (Т=А),
количество гуанина равняется количеству цитозина (Г=Ц);

количество оснований, которые содержат аминогруппу в
положении 4 пиримидинового и в положении 6 пуринового циклов равняется
количеству оснований, которые содержат в этих же положениях оксогруппу:
А+Ц=Т+Г
Для РНК правила Чаргоффа не выполняются или выполняются с
некоторым приближением. Относительно вторичной структуры транспортной
РНК наиболее достоверная структура- «лист клевера». Менее известны
вторичные структуры матричных и рибосомальных РНК.
Вопросы и упражнения
№1
1. Приведите строение пиримидиновых оснований, которые входят в
состав нуклеиновых кислот, и назовите их.
2. Приведите строения схему неполного гидролиза 5-адениловой
кислоты протекающей по сложноэфирной связи. Укажите условия.
№2
1. Приведите строение пуринових оснований, входящих в состав
нуклеиновых
кислот.
Назовите
их.
Для
одного
основания
напишитетаутомерные формы.
2. Приведите схему полного гидролиза 5-цитидиловой кислоты.
Назовите продукты реакции.
№3
1. Приведите строение кофермента НАД+. Приведите схемы химических
реакций, которые лежат в основе действия этого кофермента в биологических
системах.
2. Напишите схему реакции гидролиза нуклеотида, если известно, что
конечнымипродуктами будут фосфатная кислота и тимин. Назовите исходный
продукт.
№4
1. Приведите строение нуклеиновых оснований, которые входят в состав
ДНК. Назовите их.
2. Напишите уравнение реакции гидролиза АТФ доАМФ
№5
1. Приведите строение тимина, гуанина и комплементарных им
оснований.
2. Приведите схему химических реакций, лежащих в основе действия
кофермента НАД+.
№6
1. Приведите строение нуклеиновых основ которые входят в состав РНК.
Назовите их.
2. Приведите строение соединения, при нагревании которого в
присутствии минеральной кислоты были получены фосфорная кислота,
дезоксирибоза и гуанин в соотношении 1:1:1. Назовите соединение. Укажите
гликозидную и сложноэфирную связи.
№7
1. Приведите строение тимина, гуанина и комплементарных им
оснований.
2. Напишите схему реакции гидролиза нуклеотида, если известно, что
конечными продуктами является фосфатная кислота и тимин (1:1). Назовите
исходный продукт.
№8
1. Приведите
строение
и
лактам-лактимную
таутомерию
пиримидиновыхоснований.
2. Напишите схему реакции получения дезоксигуаниловой кислоты из
соответствующего нуклеозида. Укажите сложноэфирную связь.
№9
1. Приведите строение тимина, гуанина, и комплементарных им
оснований.
2. Напишите схему получения АТФ.
№ 10
1. Напишите таутомерные формы урацила, тимина. Дайте название.
2. Приведите схему дефосфолирования 5-дезоксиадениловой кислоты.
№ 11
1. Приведите строение комплементарных оснований УА и ЦГ.
2. Напишите схему полного гидролиза 5'-тимидиловой кислоты.
№ 12
1. Приведите строение N-гликозидов рибозы и дезоксирибозы с
нуклеиновыми основаниями, напишите реакцию гидролиза.
2. Охарактеризуйте таутомерные превращения тимина. Какая из форм
преобладает?
№ 13
1. Напишите строение нуклеотидов – дезоксиадениловой кислоты,
тимидиловой кислоты.
2. Приведите строение АТФ и схемы химических
которыеявляются основой биологического действия вещества
реакций,
№ 14
1. Наведите строение дезоксигуаниловой и дезоксицитидиловойкислоты,
которые входят в состав ДНК.
2. Приведите схему реакции, которая является основой биологического
действия НАД+.
СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тюкавкина Н.А. Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. М.: – Медицина,
1985.
2. Руководство к лабораторным занятиям по биоорганической химии. Под
ред. Тюкавкиной Н.А. М.: − Медицина, 1985.
3. Губський Ю.І. Біоорганічна хімія. Вінниця: − Нова книга, 2004.
4. Шаповал Л.Г., Чеховський В.Д., Петюніна В.М. Навчальний посібник з
органічної хімії. Харків: − ХДМУ, 1994.
5. Теоретический курс по биологической и биоорганической химии
(учебное пособие). Модуль 1. Биологически важные классы биоорганических
соединений. Биополимеры и их структурные компоненты / Сыровая А.О.,
Шаповал Л.Г., Петюнина В.Н., Ткачук Н.М., Шапарева Л.П., Макаров В.А.,
Чеховской В.Д., Грабовецкая Е.Р., Бачинский Р.О., Наконечная С.А. – Харьков,
ХНМУ. – 2013.
Учебное издание
Гетероциклические соединения. Нуклеиновые кислоты и их компоненты:
Методические указания для самостоятельной работы студентов 1-го курса по
биологической и биоорганической химии (Модуль 1)
Составители:
А.О. Сыровая,
Л.Г. Шаповал,
В.Н. Петюнина,
Е.Р. Грабовецкая,
В.А. Макаров,
С.В. Андреева,
Л.В. Лукьянова,
С.А. Наконечная,
Р.О. Бачинский,
С.Н. Козуб,
Т.С. Тишакова,
О.Л. Левашова,
Н.В. Копотева,
Н.Н. Чаленко
Ответственный за выпуск: В. Н. Петюнина
План 2014. Ризография.
Усл. печ. стр. 1,25, тираж 100 экз.
ФЛП Томенко Ю.И.
г. Харьков, пл. Руднева, 4