Zasady azotowe i nukleotydy, STUDIA, biochemia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
18.
ZASADY AZOTOWE
I NUKLEOTYDY
Iwona
ś
ak
Zasady azotowe nale
Ŝą
do dwóch grup zwi
ą
zków heterocyklicznych, piry-
midyn i puryn.
Pirymidyna jest przedstawicielem diazyn, czyli sze
ś
cioczłonowych aroma-
tycznych heterocykli, które zawieraj
ą
dwa atomy azotu w pier
ś
cieniu, zajmuj
ą
ce
pozycje 1 i 3.
H
N
H C
4
C H
3
5
6
2
1
C H
N
pirymid yna
,
który odpowiedzialny jest za aromatyczno
ść
pier
ś
cienia pirymidynowego. Podob-
nie, oba atomy azotu pirymidyny maj
ą
hybrydyzacj
ę
sp
2
i ka
Ŝ
dy z nich oddaje do
sekstetu elektronów
. Ka
Ŝ
dy atom w
ę
gla dostarcza ten elektron do sekstetu elektronów
p
po jednym elektronie na orbitalu
p
. Wolna para elektronowa
zajmuj
ą
ca zhybrydyzowany orbital
sp
2
w obu atomach azotu usytuowana jest
w płaszczy
ź
nie pier
ś
cienia. Obie wolne pary elektronowe nie s
ą
zaanga
Ŝ
owane
w oddziaływania z orbitalami
p
, lecz odpowiedzialne za charakter zasadowy pier-
ś
cienia pirymidynowego.
Wa
Ŝ
nymi pochodnymi pirymidyny s
ą
zasady azotowe wyst
ę
puj
ą
ce w kwa-
sach nukleinowych, mianowicie cytozyna, tymina i uracyl.
Tautomeria keto-enolowa, wynikaj
ą
ca z przemieszczania si
ę
protonów H,
sprawia,
Ŝ
e zasady pirymidynowe wyst
ę
puj
ą
w ró
Ŝ
nych postaciach tautomerycz-
nych, mianowicie w formie laktamu (posta
ć
ketonowa, =O) lub laktymu (posta
ć
enolowa, -OH).
W warunkach fizjologicznych dominuj
ą
c
ą
ilo
ś
ciowo postaci
ą
tautomeryczn
ą
tyminy i uracylu jest laktam, natomiast cytozyny laktym.
p
307
C
W pirymidynie ka
Ŝ
dy z czterech atomów w
ę
gla o hybrydyzacji
sp
2
ma tak
Ŝ
e
niezhybrydyzowany orbital
p
, prostopadły do płaszczyzny pier
ś
cienia z jednym
elektronem
p
Mutagenny efekt tautomerii zasad pirydynowych wynika z faktu,
Ŝ
e laktym
tyminy tworzy komplementarn
ą
par
ę
z guanin
ą
, a nie z adenin
ą
.
NH
2
O
O
HN
HN
CH
3
N
laktam
laktam
laktam
O
H
O
H
O
H
NH
2
OH
OH
N
N
N
CH
3
laktym
laktym
laktym
HO
N
HO
N
HO
N
cytozyna [Cyt]
uracyl [Ura]
tymina [Thy]
Zmodyfikowane zasady pirymidynowe, np. metylowane, wyst
ę
puj
ą
w kwa-
sach nukleinowych zarówno u prokariota, jak i eukariota, w tym tak
Ŝ
e u człowie-
ka (np. 5-metylocytozyna), niektóre obecne s
ą
tylko u wirusów np. 5-hydroksyme-
tylocytozyna.
NH
2
NH
2
N
CH
3
N
CH
2
OH
O
N
H
O
H
5-metylocytozyna
5-hydroksymetylocytozyna
Puryny zawieraj
ą
pier
ś
cie
ń
pirymidynowy skondensowany z pier
ś
cieniem
imidazolowym. W pi
ę
cioczłonowym heterocyklicznym pier
ś
cieniu imidazolowym
z dwoma atomami azotu, jeden z nich (N7) jest zasadowy ze wzgl
ę
du na obecno
ść
wolnej pary elektronowej, która nie wchodzi do aromatycznego sekstetu elektro-
nów
p
N
HC
C
C
N
6
7
5
1
2
8
CH
4
C
9
3
H
N
puryna
308
, ten atom azotu mo
Ŝ
e by
ć
uprotonowany. Drugi atom azotu pier
ś
cienia imi-
dazolowego (N9) nie jest zasadowy, poniewa
Ŝ
jego wolna para elektronowa wcho-
, podobnie jak atom azotu w pier
ś
cieniu pirolo-
wym. W przyrodzie puryna nie wyst
ę
puje w wolnej postaci, lecz głównie w formie
aminowych i ketonowych (lub hydroksylowych) pochodnych. Grupy aminowe
przył
ą
czone do aromatycznego pier
ś
cienia purynowego zachowuj
ą
si
ę
podobnie
jak grupy aminowe aminokwasów, mog
ą
przechodzi
ć
w form
ę
kationow
ą
po przy-
ł
ą
czeniu jonu H
+
.
Najwa
Ŝ
niejsze główne zasady purynowe to adenina i guanina, które s
ą
obec-
ne we wszystkich kwasach nukleinowych. W niektórych mo
Ŝ
e wyst
ę
powa
ć
rów-
nie
Ŝ
hipoksantyna, b
ę
d
ą
ca jednocze
ś
nie metabolitem po
ś
rednim przemian adeniny.
p
NH
2
O
O
N
N
HN
N
HN
N
laktym
laktam
laktam
N
H
H
2
N
N
H
N
H
NH
OH
OH
HN
N
N
N
N
N
laktam
laktym
laktym
N
H
H
2
N
N
H
N
H
adenina [Ade]
guanina [Gua]
hipoksantyna [Hyp]
W warunkach fizjologicznych głównymi formami tautomerycznymi guaniny
i hipoksantyny s
ą
tautomery laktamowe, natomiast dominuj
ą
c
ą
form
ą
adeniny jest
laktym. Laktamowa forma tautomeryczna adeniny tworzy par
ę
z cytozyn
ą
, co mo-
Ŝ
e le
Ŝ
e
ć
u podło
Ŝ
a mutagenezy.
Ksantyna jest metabolitem po
ś
rednim przemian guaniny oraz adeniny, po-
wstaje z niej kwas moczowy, ko
ń
cowy produkt katabolizmu puryn u człowieka.
Jest on obecny w moczu człowieka i zwierz
ą
t mi
ę
so
Ŝ
ernych. Kwas moczowy
i ksantyna s
ą
bardzo trudno rozpuszczalne w wodzie, szczególnie w roztworach
o niskich warto
ś
ciach pH, jakie panuj
ą
w moczu, dlatego zwi
ą
zki te mog
ą
by
ć
składnikami kamieni moczowych. W
ś
rodowisku alkalicznym kwas moczowy two-
rzy moczany, czyli sole kwasu moczowego. Moczany sodowe s
ą
rozpuszczalne
w roztworach wodnych, równie
Ŝ
o odczynie oboj
ę
tnym, a podwy
Ŝ
szone ich st
ęŜ
e-
nie w pewnych stanach patologicznych (dna moczanowa) prowadzi do odkładania
ich w stawach i
ś
ci
ę
gnach.
309
dzi w skład sekstetu elektronów
O
O
H
N
N
HN
HN
O
O
H
H
O
H
H
ksantyna
kwas moczowy
W kwasach nukleinowych, zarówno pochodzenia eukariotycznego, jak i pro-
kariotycznego, wyst
ę
puj
ą
zmodyfikowane zasady purynowe, głównie metylowane.
O
O
CH
3
H
3
C
N
CH
3
HN
N
HN
N
N
N
H
3
C
H
N
N
H
2
N
N
N
N
H
H
3
C
2-dimetyloguanina
N
7
-metyloguanina
N
6
,N
6
-dimetyloadenina
Reakcje metylowania zasad azotowych u prokariota s
ą
jednym z wa
Ŝ
niej-
szych elementów systemu zabezpieczaj
ą
cego DNA przed negatywnymi skutkami
działania endogennych enzymów restrykcyjnych.
Metylowane puryny s
ą
obecne u ro
ś
lin, równie
Ŝ
poza kwasami nukleino-
wymi jako tzw. zasady ro
ś
linne (alkaloidy). Nale
Ŝą
do nich mi
ę
dzy innymi kofe-
ina, teofilina i teobromina. Kofeina, zwana te
Ŝ
tein
ą
, obficie wyst
ę
puje w ziarnach
kawy, teofilina w li
ś
ciach herbaty, teobromina w owocach kakaowych. Wszystkie
maj
ą
zastosowanie farmakologiczne.
O
O
CH
3
O
CH
3
H
3
C
H
3
C
N
N
N
N
HN
N
O
N
N
O
N
N
O
N
N
CH
3
CH
3
CH
3
teofilina
(1,3-dimetyloksantyna)
kofeina
(1,3,7-trimetyloksantyna)
teobromina
(3,7-dimetyloksantyna)
Heterocykliczne zasady azotowe, zarówno pirymidynowe, jak i purynowe,
wykazuj
ą
siln
ą
absorpcj
ę
promieniowania nadfioletowego, z maksimum pochła-
niania przypadaj
ą
cym na około 260 nm. Fakt ten znalazł zastosowanie w analityce
chemicznej. Wła
ś
ciwo
ś
ci absorpcyjne
ś
wiatła wynikaj
ą
z obecno
ś
ci w zasadach
azotowych wi
ą
za
ń
podwójnych w pozycji sprz
ęŜ
onej oraz heteroatomów. Widma
310
H
absorpcyjne zasad azotowych s
ą
podobne, lecz puryny silniej pochłaniaj
ą
ś
wiatło
od pirymidyn. W najwy
Ŝ
szym stopniu pochłania
ś
wiatło adenina a w najni
Ŝ
szym
tymina i cytozyna. Widma absorpcyjne nukleozydów i nukleotydów s
ą
podobne,
poniewa
Ŝ
na intensywno
ść
, a tak
Ŝ
e charakter pochłaniania
ś
wiatła nie maj
ą
wpły-
wu reszty monocukrowe oraz grupy fosforanowe.
Pirymidyny (pH 7)
14
Puryny (pH 7)
10
Uracyl
12
Adenina
8
Cytozyna
10
Tymina
6
8
Guanina
6
4
4
2
2
230
260
300
λ
nm
230
260
300
λ
nm
Nukleozydy
Nukleozydy s
ą
N-glikozydami, z wyj
ą
tkiem pseudourydyny, która jest C-
-glikozydem. Składnikiem cukrowym jest albo
β
-
D
-rybofuranoza albo
β
-
D
-2-deo-
ksyrybofuranoza. Atomy w
ę
gla w cz
ą
steczkach monocukrów s
ą
oznaczane nume-
rem z primem (np. 2
'
), dla odró
Ŝ
nienia pozycji atomu w obr
ę
bie reszty cukrowej od
pozycji w zasadowym fragmencie cz
ą
steczki.
Wi
ą
zanie
β
-N-glikozydowe w nukleozydach pirymidynowych ł
ą
czy anome-
ryczny atom w
ę
gla (C1) rybozy lub deoksyrybozy z pierwszym atomem azotu (N1)
zasady pirymidynowej.
Zasada tworzenia nazw nukleozydów opiera si
ę
na rodzaju zasady azotowej,
wyst
ę
puj
ą
cej w nukleozydzie. Mianowicie, nazwy nukleozydów pirymidynowych
tworzy si
ę
, dodaj
ą
c do pocz
ą
tkowego członu nazwy zasady, ko
ń
cówk
ę
„-dyna”,
np. cyty-dyna, ury-dyna, tymi-dyna. Tymidyna zawiera deoksyryboz
ę
i jest nukle-
ozydem przede wszystkim charakterystycznym dla DNA. W niektórych kwasach
rybonukleinowych (tRNA) mo
Ŝ
e wyst
ę
powa
ć
rybotymina, ale jest to nietypowy
nukleozyd.
311
[ Pobierz całość w formacie PDF ]