Пуриновые и пиримидиновые основания кратко
Обновлено: 02.07.2024
Пуриновые и пиримидиновые основания, входящие в состав нуклеотидов, представляют собой замещенные производные пурина и пиримидина (рис. 34.1). Положения атомов в ароматическом кольце пронумерованы в соответствии с принятой номенклатурой. Обратите внимание на то, что нумерация в пуриновом и пиримидиновом кольцах ведется в противоположных направлениях, при этом атом углерода под номером 5 в обеих молекулах находится в одном и том же положении. Сопряжение n-электронных облаков обусловливает плоскую структуру пуриновых и пиримидиновых оснований. Значение этого явления обсуждается в гл. 37.
Главные основания
Главные пиримидиновые основания и у прокариот, и у эукариот — это цитозин, тимин и урацил
Рис. 34.1. Структура пурина и пиримидина. Атомы пронумерованы согласно международной системе.
Рис. 34.2. Три главных пиримидиновых основания, входящие в состав нуклеотидов.
(рис. 34.2). Из пуриновых оснований чаще всего встречаются аденин и гуанин. Два других — ксантин и гипоксантин—являются интермедиатами в процессах их метаболизма (рис. 34.3). У человека в роли конечного продукта катаболизма пуринов выступает окисленное пуриновое основание—мочевая кислота (гл. 35).
Помимо пяти названных выше главных оснований известны и менее широко представленные минорные основания. Некоторые из них присутствуют только в нуклеиновых кислотах бактерий и вирусов, но многие также найдены в составе про- и эукариотических ДНК и транспортных РНК.
Рис. 34.3. Главные пуриновые основания, входящие в состав нуклеотидов.
Рис. 34.4. Структура двух необычных природных пиримидиновых оснований.
Так, и бактериальная ДНК, и ДНК человека содержат значительные количества 5-метилцитозина; в бактериофагах обнаружен 5-гидроксиметилцитозин (рис. 34.4). Необычные основания выявлены в матричной РНК - -метиладенин, -диметиладенин и N7-мeтилгуанин (рис. 34.5). У бактерий также обнаружен модифицированный урацил с присоединенной по группой. Функции этих замещенных пуринов и пиримидинов до конца не выяснены.
В клетках растений выявлена серия пуриновых оснований с метальными заместителями (рис. 34.6). Многие из них фармакологически активны. В качестве примера можно привести кофейные зерна, содержащие кофеин , чайный лист, содержащий теофиллин , и какао-бобы, в состав которых входит теобромин . Биологические свойства этих веществ описаны в гл. 35 при обсуждении метаболизма циклических нуклеотидов.
Статья будет посвящена базовому, но крайне интересному разделу биохимии — метаболизму азотистых оснований. Сегодня мы рассмотрим то, как из аминокислот и глюкозы получается материал, кодирующий нашу биологическую сущность, — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК). Это понадобится нам для понимания очень важных вещей. Например, как одна мутация в метаболизме нуклеотидов способна подарить ребенку тяжелейший иммунодефицит или сделать из него глубокого инвалида. Почему не живут долго и счастливо многие из тех, кто злоупотребляет вином, красным мясом, шоколадом и прочими радостями. Почему иногда умирают (во всяком случае, часто умирали раньше) при проведении противоопухолевой химиотерапии. В статье, посвященной нарушению метаболизма азотистых оснований, ты узнаешь и о редких заболеваниях, о которых забывают 90 % врачей, принимая их за другие, более известные и очевидные. Но для начала надо постичь базу, ведь без понимания метаболизма азотистых оснований перечисленные мною факты и заболевания будет крайне сложно понять. Приступим.
Нуклеотидом мы будем называть соединение, представляющее собой совокупность трех частей [3]:
- азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, урацил, тимин);
- пятиуглеродный сахар рибоза (дезоксирибоза);
- остатки фосфорной кислоты (от одного до трех).
Как я уже намекнул, азотистых оснований много во вкусной, но не всегда здоровой пище: бекон, красное мясо, ветчина, фасоль, спаржа, сыр, яйца, пиво, грибы и так далее. Бьюсь об заклад, что-то в твоем рационе из этого хоть иногда, да присутствует (если ты на стипендии. Если нет – работай над этим).
Попадая в твой ЖКТ, в 12-перстную кишку, нуклеиновые кислоты, содержащиеся в пище, расщепляются рибонуклеазами, нуклеотидазами и прочими ферментами поджелудочной железы. Продукты расщепления в виде нуклеотидов и нуклеозидов (иногда и вовсе азотистых оснований) попадают в энтероциты (клетки слизистой оболочки тонкой кишки).
В энтероцитах есть ксантиноксидаза, которая переводит пурины (аденин, гуанин) в мочевую кислоту. Мочевая кислота, как правило, стремится всосаться в кровь и выйти с мочой через почки. Может также пропустить себя в просвет кишки и выйти с калом (кстати, это бывает и весьма ощутимо, если имеется декомпенсированная патология почек).
Пурины — гуанин и аденин — формируются буквально из ничего. Все, что нам нужно для создания пуринового кольца — глюкоза (поступающая в пентозо-фосфатный цикл), глицин, две молекулы глутамина, одна молекула аспартата, пара молекул активной метилированной формы фолиевой кислоты + немного терпения и приправы в виде пяти молекул АТФ [1].
Я не хочу грузить тебя серией реакций синтеза пуринов, ее на экзамене полностью никто не спросит, и, скорее всего, для принятия решений в своей работе она тебе тоже не нужна. Но кое-что ты знать должен.
Синтез пуринов проходит два основных этапа: формирование инозинмонофосфата (ИМФ) и получение из ИМФ таких нуклеотидов, как ГМФ и АМФ.
Необходимо знать ключевые моменты этого синтеза.
Первый из них — лимитирующая реакция синтеза пуринов — формирование фосфорибозилпирофосфата (ФРПФ).
(Для тех, кто не понял: лимитирующая реакция — это та реакция, скорость которой определяет скорость всего процесса, а также та, что подвергается наиболее жесткой и сложной регуляции).
Далее следует еще порядка девяти реакций, которые из 5-фосфорибозил-1-амина сделают инозинмонофосфат (ИМФ). На этом закончится первый этап синтеза. Для экзамена и последующей работы тебе нужно знать, какие молекулы участвуют в формировании пуринового кольца, и эти две реакции. Для жизни — и того меньше.
2 этап. Чрезвычайно важен и интересен. Два брата, два параллельно идущих, как ты со своим другом, ̶п̶о̶ ̶н̶а̶к̶л̶о̶н̶н̶о̶й̶ к синтезу АМФ и ГМФ.
Что интересно: конечные продукты этого чрезвычайно интересного (никому) синтеза — ГТФ и АТФ — помогают дружественному параллельному циклу, даруя энергию для синтеза нуклеотида. Несколько ниже приведена иллюстрация вышеописанных биохимических событий.
Катаболизм пуринов не менее важная и интересная серия процессов, потому что так же, как и синтез пуринов, их катаболизм является ключевым моментом для понимания патогенеза ряда заболеваний. Большинство нуклеотидов подвергаются повторному использованию (отдать некому, выкинуть жалко), заново включаясь в синтез нуклеотидов. Проследим путь их катаболизма.
Как мы видим, аденозин (аденин + рибоза) стремится стать гипоксантином. Но на пути к этому ему нужно перевоплотиться назад в инозинмонофосфат. В этом ему поможет аденозиндезаминаза. Хорошо запомни этот фермент, мы к нему не раз еще вернемся. Гипоксантин, кстати, может стать просто ксантином, чем обязан ксантиноксидазе.
Гуанозин считает стадию гипоксантина для себя недостойным (не может смириться с тем, что именно АТФ, а не ГТФ, является основным источником энергии в клетке, старые обиды несчастной молекулы). В силу этого ГТФ не церемонится и становится ксантином, минуя стадию образования гипоксантина. И здесь перед ним встает выбор из двух путей. Путь 1: гипоксантин и ксантин станут мочевой кислотой и оставят после себя лишь воспоминания, удалившись в мочу (или в суставы и почечные канальцы в виде уратов). Путь 2: камбэкнуться в ИМФ (а затем в АМФ) и ГМФ. В этом им поможет братан, которого во дворе прозвали гипоксантингуанинфосфорибозил-трансферазой (ГГФРТ).
Получившиеся вновь ГМФ и ИМФ (🡪 АМФ) превращаются в ГТФ и АТФ путем присоединения фосфорных остатков. Здесь все просто.
Резюме: для нас клиническое значение будут иметь нижеперечисленные ферменты:
- Дезаминаза (аденозиндезаминаза)
- Ксантиноксидаза
- Гипоксантингуанинфосфорибозил-трансфераза
- Фосфорибозилпирофосфат-трансфераза (она же фосфорибозилдифосфат-трансфераза)
Их значение для реализации той или иной патологии будет обсуждаться в соответствующей статье.
Взглянув на схему, мы видим, что конечным продуктом этого этапа является уридинмонофосфат (УМФ). С обостренным чувством собственной важности УМФ дает начало:
- уридинтрифосфату (УТФ) — путем реакции присоединения двух фосфорных остатков;
- цитидинтрифосфату (ЦТФ) — через образование УТФ и путем изнасилования ЦТФ-синтетазой.
Все образованные соединения — АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ — используются для синтеза рибонуклеиновых кислот, функцию которых ты должен был помнить не давеча как с третьего класса средней школы. Они имеют важное значение в матричных биосинтезах: в транскрипции ДНК, синтезе белка.
Но у нас есть еще и ДНК. Та штука, которая определяет твой фенотип и все, что из него вытекает. ДНК-полимераза установила фейс-контроль для синтеза ДНК. Он заключается в том, что все субстраты должны быть дезоксирибонуклеотидом [1, 3].
Есть исключение из правил. Это касается УТФ. Чтобы попасть в ДНК, ему нужно притвориться не просто дезоксирибонуклеотидом. Ему нужно притвориться ТТФ (тимидинтрифосфат). Что он и делает:
Далее остается присоединить остатки фосфорной кислоты и получить тимидинтрифосфат [1].
Важно отметить, что тимидилатсинтаза и реакция образования ТМФ являются чрезвычайно важными в отношении синтеза ДНК. Также здесь можно заметить, что необходимым кофактором является тетрагидрофолиевая кислота.
Именно данная реакция является мишенью метотрексата — цитостатического противоопухолевого препарата, являющегося антиметаболитом — структурным аналогом фолиевой кислоты, который проявляет к тимидилатсинтазе недвусмысленное сродство. Связываясь с ней, метотрексат останавливает реакцию образования ТМФ, тем самым обрывая синтез ДНК в самом зародыше — на этапе образования ее структурных компонентов. Метотрексат нашел применения в онкологии (преимущественно при гемобластозах) и в ревматологии (ревматоидный артрит [5]).
В нашей жизни ничего не вечно. Пиримидины тоже гибнут, но распадаясь, оставляют после себя ряд предшественников, которые участвуют в метаболизме, но уже другими путями.
Комментируя сложную схему распада пиримидинов, я акцентирую внимание на двух важных вещах:
- пиримидины, в отличие от пуринов, не подвергаются реутилизации;
- продукты их распада — аланин и бутират — в серии превращений становятся пировиноградной кислотой и оксалоацетатом. Их дальнейшая судьба связана с участием в цикле трикарбоновых кислот и процессе получения энергии [3].
Но этим не исчерпывается значение нуклеотидов.
Детоксикация. Кое-кто из них используется в организме для детоксикации ксенобиотиков — лекарств, токсинов и иных химикатов, поступающих в организм, а также для детоксикации липофильных (т. е. растворимых в липидах и нерастворимых в воде) соединений: гормонов, билирубина. Суть детоксикации (обезвреживания) — перевести плохо растворимое в воде вещество в хорошо растворимое, что необходимо для последующего выведения через почки с мочой из организма. Достигается это присоединением полярной химической группы к исходному хулигану. Сначала формируется гидроксильная группа (если таковой нет, это этап образования более полярных соединений). А затем наступает этап конъюгации… Посмотрим, как это выходит на примере тетрагидрокортизола (рис. 11) [2].
А вот схема для менее дотошных, чем автор данной лекции.
Важное значение эта форма УДФ имеет и для метаболизма билирубина: благодаря УДФ-диглюкурониду токсичный липофильный билирубин становится полярным, растворимым в крови и моче, конъюгированным билирубином [1, 2].
Гликоген. Неоценимое значение УДФ имеет и для образования гликогена.
Гликоген — это сравнительно инертная макромолекула, которая является резервуаром источника энергии в печени и мышцах. Через восприятия сигнала от инсулина глюкоза посредством активации (в виде присоединения фосфорного остатка и изомеризации) прыгает на гликоген благодаря посредничеству УТФ [1].
Вторичные сигнальные молекулы. Нуклеотиды, в частности, цАМФ и цГМФ, играют важную роль в процессе реализации клеточных функций и межклеточного взаимодействия. Клетка, будучи кирпичом биологического коммунизма, воспринимает сигналы от вышестоящих регуляторных систем, которые контролируют ее деятельность.
Это может выражаться в:
- изменении экспрессии генов;
- реализации действия нейромедиаторов в твоей черепной и позвоночной коробках.
Такие молекулы, как цАМФ и цГМФ, являются одними из важных вторичных мессенджеров. Клетка, воспринимая сигнал извне (будь то гормон, нейромедиатор или любой другой разбойник), изменяет внутри себя концентрацию этих мессенджеров. Те вмешиваются в серию внутриклеточных последовательных реакций и тем самым усиливают первоначальный сигнал [4].
Здесь пример воздействия адреналина на метаболизм гликогена. Концентрация цАМФ растет, что приводит к активации протеинкиназы А. Та активирует гликогенфосфорилазу, что приводит к высвобождению из гликогена глюкозы и получению дополнительного источника энергии для выполнения различных нужд организма [4].
Примеров, когда нуклеотиды играют важную роль в организме, чрезвычайно много. Вспомнить хотя бы о том, кто в клетках является главным источником энергии (АТФ). Нуклеотиды в ходе своего метаболизма могут становиться источником иных метаболитов, которые могут принимать участие в энергетическом метаболизме (α-кетоглутарат, пировиноградная кислота 🡪 ацетил-Коа) и так до бесконечности. Придет время, и мы обсудим те случаи, когда метаболизм пуринов и пиримидинов в силу тех или иных причин нарушается [1].
На основе типичных представителей азотистых гетероциклов – пиридина и пиррола – можно рассмотреть соединения, которые содержат более одного гетероатома в молекуле.
Особенности строения оснований пиримидина и пурина:
1) это бесцветные кристаллические вещества;
2) пиримидин – шестичленный цикл, подобный пиридину, который отличается от него наличием в молекуле еще одного гетероатома (азота) вместо группы СН; 3) пурин является бициклическим.
Особый интерес представляют не столько пиримидин и пурин, сколько вещества с их характерной структурой – пиримидиновые и пуриновые основания, которые входят в состав природных высокомолекулярных веществ – нуклеиновых кислот, которые осуществляют синтез белков в организмах.
Структурные формулы пиримидиновых оснований:
Структурные формулы пуриновых оснований:
82. Нуклеиновые кислоты
Характерные особенности нуклеиновых кислот и теории их происхождения:
1) нуклеиновые кислоты – природные полимеры, они были обнаружены в ядрах клеток (лат. nucleus – ядро) еще в прошлом столетии, но долгое время их роль в жизни организмов была неизвестна ученым;
2) несколько десятилетий назад было расшифровано строение нуклеиновых кислот и установлено, что они играют главную роль в хранении и передаче наследственной информации и обеспечивают синтез белков в клетке.
Состав нуклеиновых кислот.
Нуклеиновые кислоты подвергаются гидролизу, при этом получается не один продукт (как у крахмала или целлюлозы), а несколько (как у белков): а) углевод (пентоза); б) азотсодержащие гетероциклические соединения (пиримидиновые и пуриновые основания); в) ортофосфорная кислота.
В организмах существуют два вида нуклеиновых кислот:
1) рибонуклеиновые (РНК);
2) дезоксирибонуклеиновые (ДНК).
Основные отличия этих нуклеиновых кислот.
1. Они различаются характером углеводного компонента – пентозы.
2. При гидролизе одних кислот образуется рибоза, в таком случае это рибонуклеиновые кислоты (РНК).
3. При гидролизе других – дезоксирибоза, это дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).
4. Различаются нуклеиновые кислоты и входящими в них азотистыми основаниями.
5. В РНК и ДНК входят по четыре основания из пяти, в их числе обязательно оба пуриновых основания – аденин и гуанин – и одно из пиримидиновых оснований – цитозин. Четвертое же основание (второе пиримидиновое) в нуклеиновых кислотах разное: в РНК это урацил, а в ДНК – тимин.
6. Неодинакова у нуклеиновых кислот и молекулярная масса: у РНК – от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов, ДНК – достигает даже нескольких десятков миллионов.
7. Структурными звеньями нуклеиновых кислот являются так называемые нуклеотиды.
Они выделены как промежуточные продукты гидролиза, когда процесс разложения не дошел до образования конечных продуктов.
Структурные формулы нуклеотидов.
Мононуклеотиды представляют собой фосфаты нуклеозидов, в которых фосфорная кислота связана сложноэфирной связью с одной из свободных гидроксильных групп пентозы.
Нуклеозиды – это N-гликозиды пиримидиновых или пуриновых оснований, в которых первый углеродный атом пентозы (атом углерода, обозначаемый 1) связан гликозидной связью с N-1-пиримидина или N-9-пурина.
Читайте также: